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四川大學(xué)《MSEA》：添加Re元素的硬質(zhì)合金的強(qiáng)化機(jī)理！

2022-03-28 14:02:19 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

硬質(zhì)合金由其優(yōu)異的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于切削、鉆頭和耐磨零件。在這些領(lǐng)域，硬質(zhì)合金需要優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度和耐磨性以承受巨大的應(yīng)力。為了強(qiáng)化硬質(zhì)合金，常添加各種碳化物或者金屬單質(zhì)。

近日，來自四川大學(xué)的研究人員通過硬質(zhì)合金摻雜Re，制得了硬度、TRS和耐磨性優(yōu)異的硬質(zhì)合金，相關(guān)論文以題為“Strengthening mechanism of cemented carbide containing Re”發(fā)表在Materials Science & Engineering A。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142803

Re是一種具有潛力強(qiáng)化元素，其具有高熔點(diǎn)、強(qiáng)度和硬度，不僅細(xì)化晶粒，提高硬質(zhì)合金的硬度和橫向斷裂強(qiáng)度，還能夠引發(fā)硬質(zhì)合金中Co的相變，增強(qiáng)粘結(jié)相。由于Co與WC衍射峰重疊，XRD無法直接觀察到硬質(zhì)合金中Co相變。此外，Re對(duì)硬質(zhì)合金中晶界特征和織構(gòu)分布的影響尚不明確，強(qiáng)化機(jī)制也有待探索。這項(xiàng)工作中，研究員制備了不同 Re 含量的 WC-10（Co-Re）硬質(zhì)合金，基于Re對(duì)WC硬質(zhì)相、Co粘結(jié)相和晶界特征的影響，討論了協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制。

圖1 {0001}、{10-10}和{2-1-10}織構(gòu)的極坐標(biāo)圖：（a）WC-10Co, （b）WC-8Co-2Re, （c） WC-6Co-4Re, （d）WC-4Co-6Re

研究發(fā)現(xiàn)，Re的添加使得WC晶粒的形狀從多邊菱柱轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，并改善異常生長(zhǎng)。Re通過提高晶粒取向的隨機(jī)分布來削弱{0001}織構(gòu)濃度，從而有利于性能的各向同性。Re在WC/Co界面處的分布可防止WC顆粒的生長(zhǎng)和粘結(jié)相池的出現(xiàn)。Re優(yōu)先溶解還會(huì)占據(jù)了粘合劑相中Co的空隙，阻礙了WC的固溶—沉淀過程，抑制WC晶粒長(zhǎng)大。

圖2 不同Re含量電解硬質(zhì)合金的XRD衍射圖譜。

電解樣品（除去屏蔽Co相衍射峰的WC）的XRD圖譜顯示{111}（fcc-Co）的衍射峰位置隨著Re含量的增加而略微向左移動(dòng)，表明Re的固溶進(jìn)入Co相內(nèi)，導(dǎo)致晶格膨脹并引起固溶強(qiáng)化。Co相中的fcc-hcp相變?yōu)轳R氏體相變，Re的添加可以降低Co的層錯(cuò)能（SFE），促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變。

圖3 不同顏色繪制的樣品 WC 晶界的 MAD 圖。

MAD定量展示了摻雜Re的硬質(zhì)合金中WC/WC晶界（取向差角度為90°）的占比隨著晶粒尺寸的減小而增加，WC/WC晶界（取向差角度<90°）的占比隨著Re的添加而降低。

圖4 WC 晶界分布，小角度晶界（＜15°，黑色），大角度晶界（>15°，紅色），（a）WC-10Co, （b） WC-8Co-2Re, （c） WC-6Co-4Re,（d）WC-4Co-6Re

圖5 CSL分布（Σ = 2，紅色；Σ = 13a，綠色）：（a）WC-10Co, （b）WC-8Co-2Re, （c） WC-6Co-4Re, （d）WC-4Co-6Re（e）Σ = 2 模型

摻雜了Re的硬質(zhì)合金中有更多的大角度晶界，小角度晶界的數(shù)量不變。重位點(diǎn)陣（CSL，Σ= 2（沿[10-10]軸的WC晶粒旋轉(zhuǎn)約90°），Σ= 13a（27.8°/[0001]扭曲晶界））分布顯示隨著Re的增加，CSL（Σ= 2）的數(shù)量增加，CSL（Σ= 13a）也隨之出現(xiàn)。兩者被認(rèn)為是硬質(zhì)合金中的低能晶界，可阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而累積位錯(cuò)提高硬度和TRS。

圖6 不同Re含量硬質(zhì)合金硬度、斷裂韌性、TRS和相對(duì)密度的變化趨勢(shì)

圖7 室溫磨損試驗(yàn)后樣品磨損痕跡的二維形貌（a）WC-10Co,（b） WC-8Co-2Re, （c） WC-6Co-4Re, （d）WC-4Co-6Re

硬度的增加歸因于WC晶粒的細(xì)化和Co粘合劑相的相變（hcp-Co具有較少的滑移系統(tǒng)）。相反，由于晶界數(shù)量較多，斷裂韌性隨Re含量的升高而降低。TRS的改善是晶粒細(xì)化、粘結(jié)劑強(qiáng)化和相對(duì)密度相結(jié)合的結(jié)果。磨損機(jī)理表示硬質(zhì)合金硬度的增加導(dǎo)致ZrO2陶瓷球的剝落，形成陶瓷潤(rùn)滑層。硬度和陶瓷潤(rùn)滑層的增加是降低了材料的磨損率主要原因。

Re誘導(dǎo)硬質(zhì)合金中晶粒細(xì)化、Co相變和形成特殊晶界之間所引發(fā)的協(xié)同強(qiáng)化作用使得材料發(fā)揮出高硬度、TRS和優(yōu)異的耐磨性。總的來說，Re作為硬質(zhì)合金的添加相表現(xiàn)優(yōu)異，有望作為硬質(zhì)合金工業(yè)生產(chǎn)中的強(qiáng)化相，在實(shí)際的應(yīng)用中具有較大的潛力。

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