編輯推薦：鉬基材料的探索的關(guān)鍵在于強(qiáng)度增強(qiáng)。文章在Mo基體中引入二次相WC，研究了相組成、微觀組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，WC顆粒的加入能顯著改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，燒結(jié)后的Mo-12%WC復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度為591.5 MPa，硬度為242.7 HV，比純Mo復(fù)合材料分別高出21.2%和49.5%。在燒結(jié)過程中，添加劑WC顆粒與Mo基體反應(yīng)生成W和Mo2C，前者溶解在Mo基體中產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；后者M(jìn)o2C阻礙晶界遷移(GBs)，限制Mo的晶粒長大，導(dǎo)致晶粒尺寸變小。本研究為可分解添加劑的原位增強(qiáng)高性能復(fù)合材料的設(shè)計提供了一條途徑。

難熔金屬鉬(Mo)及其合金由于具有較高的熔化溫度(2620 °C)、令人滿意的力學(xué)性能、優(yōu)異的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電子、冶金和化工等行業(yè)然而，隨著工業(yè)應(yīng)用的探索和發(fā)展，對更高的力學(xué)性能提出了更高的要求，以滿足特定領(lǐng)域的各種需求，特別是燒結(jié)坯的直接使用而不進(jìn)一步加工。二次相顆粒也被認(rèn)為可以提高力學(xué)性能，然而，雖然引入了大量的二次相顆粒來增強(qiáng)Mo基體，但很少關(guān)注在彌散強(qiáng)化中起關(guān)鍵作用的相界面。

中南大學(xué)研究組重點(diǎn)研究了WC的二次相，通過原位形成共格相界面，實(shí)現(xiàn)了相界面工程，顯著改善了Mo基體的力學(xué)性能，并對相應(yīng)的強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了探討。相關(guān)論文以題為“Preparation and in-situ strengthening mechanisms of Mo composites with the addition of WC”發(fā)表在Materials Science and Engineering: A。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143478

圖1a為各坯料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，W和WC的加入都能顯著提高拉伸強(qiáng)度，但總伸長率(TE)被犧牲。隨著WC添加量的增加，UTS逐漸升高，在Mo-12%WC時達(dá)到最大值(591.5 MPa)。但當(dāng)WC添加量超過14%時，TE呈線性降低，接近于0。根據(jù)XRD譜圖可以推斷，WC顆粒與Mo基體反應(yīng)生成Mo2C，而W元素在燒結(jié)過程中溶解到基體中取代了伴隨晶格畸變的Mo元素，形成固溶強(qiáng)化。通過比較P-Mo、Mo-12%W和Mo-12%WC的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)溶解的W和Mo2C顆粒對力學(xué)性能均有正向影響。因此，力學(xué)性能的變化應(yīng)與溶解的W和分散的Mo2C的演變高度相關(guān)，分別對應(yīng)于固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化

圖1

文章還計算了自由能隨溫度的變化趨勢，相關(guān)系數(shù)γ反映了兩個變量之間的相關(guān)程度。而通過計算，相關(guān)系數(shù)γ的絕對值為0.9994，非常接近1，說明T與ΔG之間的線性相關(guān)程度相當(dāng)高。因此，我們可以使用標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能表達(dá)式在不同溫度下計算ΔG。由標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能表達(dá)式繪制的直線如圖2a所示。顯然，ΔG的值為負(fù)，說明Mo可以與WC反應(yīng)，形成Mo2C和W。小失配δ（1.35%）和Mo2C(-1-21)與Mo(1-10)之間高的平行性說明界面共格性，這樣有利于增強(qiáng)相界面的結(jié)合，獲得較好的力學(xué)性能。

圖2 (a)ΔG隨T的變化;(b) Mo-12%WC上Mo基體的HRTEM圖像和衍射斑;(c) Mo2C的TEM圖像和衍射斑，(d) Mo-12%WC中Mo基體與二次相的界面結(jié)構(gòu)。

一般情況下，二次相的強(qiáng)化效果與其尺寸和體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。減小顆粒尺寸、增大顆粒體積對提高強(qiáng)度有積極作用，但過量的顆粒加入會導(dǎo)致團(tuán)聚，形成較大的二次相顆粒，使力學(xué)性能惡化。統(tǒng)計了第二相顆粒的粒徑和體積分，隨著WC添加量的增加，Mo2C的粒徑和體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。值得注意的是，HAADF圖像進(jìn)一步顯示，在Mo-14%WC和Mo-28%WC中，Mo2C的粒徑變得非常大，超過2 μm。

圖3  (a) Mo-14%WC和(b) Mo-28%WC的HAADF圖像。

由此可見，WC的加入可以顯著提高M(jìn)o基體的強(qiáng)度，其增強(qiáng)機(jī)制包括固溶、晶粒細(xì)化和彌散三種，根據(jù)相應(yīng)公式計算了不同機(jī)制對Mo-12%WC的強(qiáng)度貢獻(xiàn)。計算得到的總強(qiáng)度提高約為86.1 MPa，其中固溶強(qiáng)化為13.46 MPa，細(xì)晶強(qiáng)化為13.52 MPa，彌散強(qiáng)化為59.12 MPa，彌散強(qiáng)化占主導(dǎo)地位。

圖4 WC對Mo復(fù)合材料的強(qiáng)化示意圖。

總而言之，文章研究了Mo元素添加WC顆粒之后的微觀組織和力學(xué)性能，并且分析了性能的強(qiáng)化機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加劑WC顆粒與Mo基體發(fā)生反應(yīng)，生成Mo2C和W，Mo2C可以與基體Mo形成共格相界面，達(dá)到強(qiáng)化相界的效果。添加WC后的強(qiáng)化機(jī)制包括固溶、晶粒細(xì)化和彌散強(qiáng)化，這項研究為可分解添加劑的原位增強(qiáng)高性能復(fù)合材料的設(shè)計提供了一條途徑。