四川大学《MSEA》：添加Re元素的硬质合金的强化机理！

2022-03-28 14:02:19 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

硬质合金由其优异的力学性能，被广泛应用于切削、钻头和耐磨零件。在这些领域，硬质合金需要优异的强度、硬度和耐磨性以承受巨大的应力。为了强化硬质合金，常添加各种碳化物或者金属单质。

近日，来自四川大学的研究人员通过硬质合金掺杂Re，制得了硬度、TRS和耐磨性优异的硬质合金，相关论文以题为“Strengthening mechanism of cemented carbide containing Re”发表在Materials Science & Engineering A。

论文链接：

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

Re是一种具有潜力强化元素，其具有高熔点、强度和硬度，不仅细化晶粒，提高硬质合金的硬度和横向断裂强度，还能够引发硬质合金中Co的相变，增强粘结相。由于Co与WC衍射峰重叠，XRD无法直接观察到硬质合金中Co相变。此外，Re对硬质合金中晶界特征和织构分布的影响尚不明确，强化机制也有待探索。这项工作中，研究员制备了不同 Re 含量的 WC-10（Co-Re）硬质合金，基于Re对WC硬质相、Co粘结相和晶界特征的影响，讨论了协同强化机制。

图1 {0001}、{10-10}和{2-1-10}织构的极坐标图：（a）WC-10Co, （b）WC-8Co-2Re, （c） WC-6Co-4Re, （d）WC-4Co-6Re

研究发现，Re的添加使得WC晶粒的形状从多边菱柱转变为等轴晶，并改善异常生长。Re通过提高晶粒取向的随机分布来削弱{0001}织构浓度，从而有利于性能的各向同性。Re在WC/Co界面处的分布可防止WC颗粒的生长和粘结相池的出现。Re优先溶解还会占据了粘合剂相中Co的空隙，阻碍了WC的固溶—沉淀过程，抑制WC晶粒长大。

图2 不同Re含量电解硬质合金的XRD衍射图谱。

电解样品（除去屏蔽Co相衍射峰的WC）的XRD图谱显示{111}（fcc-Co）的衍射峰位置随着Re含量的增加而略微向左移动，表明Re的固溶进入Co相内，导致晶格膨胀并引起固溶强化。Co相中的fcc-hcp相变为马氏体相变，Re的添加可以降低Co的层错能（SFE），促进马氏体转变。

图3 不同颜色绘制的样品 WC 晶界的 MAD 图。

MAD定量展示了掺杂Re的硬质合金中WC/WC晶界（取向差角度为90°）的占比随着晶粒尺寸的减小而增加，WC/WC晶界（取向差角度<90°）的占比随着Re的添加而降低。

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

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

掺杂了Re的硬质合金中有更多的大角度晶界，小角度晶界的数量不变。重位点阵（CSL，Σ= 2（沿[10-10]轴的WC晶粒旋转约90°），Σ= 13a（27.8°/[0001]扭曲晶界））分布显示随着Re的增加，CSL（Σ= 2）的数量增加，CSL（Σ= 13a）也随之出现。两者被认为是硬质合金中的低能晶界，可阻碍位错的运动，从而累积位错提高硬度和TRS。

图6 不同Re含量硬质合金硬度、断裂韧性、TRS和相对密度的变化趋势

图7 室温磨损试验后样品磨损痕迹的二维形貌（a）WC-10Co,（b） WC-8Co-2Re, （c） WC-6Co-4Re, （d）WC-4Co-6Re

硬度的增加归因于WC晶粒的细化和Co粘合剂相的相变（hcp-Co具有较少的滑移系统）。相反，由于晶界数量较多，断裂韧性随Re含量的升高而降低。TRS的改善是晶粒细化、粘结剂强化和相对密度相结合的结果。磨损机理表示硬质合金硬度的增加导致ZrO2陶瓷球的剥落，形成陶瓷润滑层。硬度和陶瓷润滑层的增加是降低了材料的磨损率主要原因。

Re诱导硬质合金中晶粒细化、Co相变和形成特殊晶界之间所引发的协同强化作用使得材料发挥出高硬度、TRS和优异的耐磨性。总的来说，Re作为硬质合金的添加相表现优异，有望作为硬质合金工业生产中的强化相，在实际的应用中具有较大的潜力。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。