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“硬质材料”专栏 | MDPI Coatings:高熵合金粘结剂对掺稀土氧化物WC硬质合金组织和性能影响的研究 精选

已有 2124 次阅读 2023-5-8 09:13 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

原文出自 Coatings 期刊

Qin, Y.; Yuan, J.; Zhuang, Y.; Ma, B.; Luo, L.; Wu, Y. Study on Effect of High-Entropy Alloy Binder on Microstructure and Properties of WC Cemented Carbide Doped with Rare Earth Oxide. Coatings 202313, 273. https://doi.org/10.3390/coatings13020273

专栏简介

“硬质材料”专栏由 Technologies 编委郭智兴博士主持,专注于难熔金属与硬质材料的材料制备与表征、数控刀具设计制造技术等研究工作。

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郭智兴 博士

四川大学

四川省切削刀具智能设计与服务工程技术研究中心副主任,正高职称,博士生导师,四川省学术与技术带头人后备人选,四川省海外高层次留学人才,“常春藤”Brown University 国家留学基金委公派访问学者。长期主要从事粉末冶金、涂层、焊接等材料加工技术,难熔金属与硬质材料 (WC 基硬质合金、TiCN 基金属陶瓷) 的材料制备与表征,数控刀具设计制造技术等研究工作。主持国家自然科学基金、四川省重大专项/重点研发项目 (课题) 等20余项;主研国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备”3项,国家自然基金重点项目1项。在国际学术期刊发表 SCI 论文100余篇 (其中中科院一区70余篇),引用1600余次,H-index 为25;授权发明专利36项,转化4项;获四川省科技进步二等奖1项及市级一等奖1项。

引言

硬质合金是以 WC 等难熔金属碳化物为基,以 Co 等铁族金属元素为粘结剂,采用粉末冶金方法制备的多相材料。硬质合金具有高硬度、耐磨性和较好的强韧性,广泛用于切削刀具、成型模具、地矿工具、耐磨耐蚀零件等。目前,硬质合金材料领域面临着一些新的挑战。一方面,硬质合金发明以来,Co 一直是硬质合金的主要粘结剂。然而,Co 是一种世界性的稀缺战略资源,除了硬质合金领域对 Co 的迫切需求外,新型锂电池能源等许多领域对 Co 的需求也在增加;因此,Co 资源面临的供应压力正在增加。另一方面,各类高参数工况不断出现,对硬质合金材料的强度、硬度、韧性等力学性能的要求更高,传统 WC-Co 碳化合金的性能逐渐无法满足需求。因此,硬质合金新粘结相和高性能化的研究收到学术界和工业界广泛关注。

研究内容

本文利用 AlCoCrFeNi 高熵合金粉末取代 Co 作为硬质合金的粘结剂,用湿化学法掺杂稀有金属氧化物 Y2O3/ZrO2 作为晶粒生长抑制剂。采用 SPS 烧结法对90% WC-Y2O3-ZrO2 (WC 99.6%, Y2O3 0.25%, ZrO2 0.15%) 复合粉末进行烧结,得到硬质合金并对其微观结构和性能进行了表征。

在1200 ℃、1250 ℃ 和1300 ℃ 进行了 SPS 烧结,烧结温度过高会导致 WC 平均晶粒度增大及晶粒异常长大,低的烧结温度也不利于致密化过程,1250 ℃ 时 SPS 获得的 WC 晶粒度最小,合金的致密度、硬度和韧性都是最佳,这也表明了 AlCoCrFeNi 高熵合金粘结相与 WC 之间润湿性良好。

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图1. 不同烧结温度制备的硬质合金的 SEM 图像和晶粒尺寸分布:(a、d) 1200 ℃、(b、e) 1250 ℃ 和 (c、f) 1300 ℃。

高熵合金具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应,这些效应对硬质合金的组织性能有直接影响。采用 HAADF-STEM 对硬质合金的微观组织进行了表征 (如图2),粘结相中的 W 含量很低,而硬质相中也几乎没有高熵合金元素,这与高熵合金的迟滞扩散效应有关;Cr 对 WC 基体的亲和力较低,分布于粘结相区域中部,与 WC 基体亲和力较好的 Fe、Co 和 Ni 更多地分布于 WC 界面附近;稀有金属元素 Y、Zr 在 WC 界面富集,以氧化物的形式作为第二相存在于合金中,起到钉扎和弥散强化作用。

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图2. WC-Y2O3-ZrO2-10AlCoCrFeNi 硬质合金的 TEM 图像。(a) HAADF-STEM 图像;(b) 线扫描;(c) 高分辨率图像;(d) WC 晶粒电子衍射花样;(e) 粘结相靠近 WC 晶粒部分的衍射点花样。

研究总结

本文研究结果表明,由于迟滞扩散效应,WC 颗粒的溶解和沉淀生长过程受限,WC 晶粒生长得到抑制;稀有金属氧化物 (Y2O3/ZrO2) 的钉扎效应和弥散强化也能有效减小硬质合金晶粒度并强化粘结相。当 SPS 烧结温度为1250 ℃ 时,WC-Y2O3-ZrO2-10AlCoCrFeNi 碳化物的性能最好,维氏硬度为1888.14 HV,断裂韧性为14.76 MPa. m1/2。

Coatings 期刊介绍

主编:

Alessandro Lavacchi, Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici (ICCOM-CNR), Italy;

Wei Pan, Tsinghua University, China

期刊专注于发表涂层、表面、界面及薄-厚膜领域的研究成果,刊载研究论文、综述及短讯,鼓励学者发表详细的实验和理论结果。

2021 Impact Factor:3.236

2021 CiteScore:3.9

Time to First Decision:13 days

Time to Publication:33 Days

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