中/高熵粘结相硬质合金的研制

作     者：陈睿智 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程继贵

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：硬质合金 新型粘结相 中/高熵合金 放电等离子烧结 稀土氧化物 

摘      要：硬质合金具有硬度高、耐磨性好、抗压强度高等特点,广泛应用于矿用工具、耐磨零部件、模具制备、石油钻井等领域。随着现代工业技术的发展,硬质合金的服役条件更为苛刻,对其组织性能也提出新的要求。本文以中/高合金作为新型粘结相,通过采用新型快速烧结方式以及稀土氧化物掺杂等途径制备超细晶硬质合金。并系统研究放电等离子烧结工艺、粘结相成分和稀土氧化物掺杂量对超细晶硬质合金组织及性能的影响。全文主要研究内容和结论如下:论文第二章以Co、Fe、Ni、Cr、Cu五种金属粉末为原料,通过高能球磨制备CoFe Ni Cr Cu(x=1,1.5,2,2.5)高熵合金,并以其为粘结相,结合放电等离子烧结(SPS)制备出WC-10CoFe Ni Cr Cu硬质合金烧结体,考察了SPS烧结工艺对WC-10Co Fe Ni Cr Cu硬质合金烧结体组织及性能的影响。结果发现,在1400℃烧结温度,30 MPa烧结压力下烧结8 min后,所得WC-10Co Fe Ni Cr Cu烧结体性能最优,其中WC平均晶粒尺寸为396 nm,维氏硬度和断裂韧性分别达到1952.2 MPa和10.82 MPa·m。在最优化烧结工艺下,进一步考察了粘结剂成分对烧结体性能的影响,发现当x=1.5时,WC-10CoFe Ni Cr Cu硬质合金性能最佳,其平均晶粒尺寸为398 nm,维氏硬度达2078.2 MPa,断裂韧性达11.64 MPa·m。论文第三章以硝酸盐为原料,采用溶液燃烧合成法制备了疏松多孔的Fe Co Cu金属氧化物前驱体,经600℃氢气还原2h后获得了Fe Co Cu复合粉末,高能球磨48 h后获得Fe Co Cu中熵合金粉末,以其作为粘结相,通过SPS制备了WC-10Fe Co Cu硬质合金。结果表明,SPS 1300℃烧结温度下获得烧结体致密度达99%以上,且合金中的晶粒成“双峰结构分布,平均晶粒尺寸为513 nm,维氏硬度与断裂韧性分别达到1772.88 MPa和14.98 MPa·mm。论文第四章在第三章的基础上,考察了LaO的添加对LaO/WC-10Fe Co Cu硬质合金组织及性能的影响。结果表明:添加LaO后,LaO/WC-10Fe Co Cu硬质合金中的晶粒得到细化,在LaO为0.6 wt.%时,平均晶粒尺寸最小,为388 nm。当合金中LaO含量进一步增加时,对晶粒异常生长的抑制作用减弱,晶粒相对粗化,但其平均晶粒尺寸仍小于未掺杂LaO的WC-10Fe Co Cu硬质合金。添加0.6 wt.%LaO后,WC-10Fe Co Cu硬质合金的维氏硬度和断裂韧性分别为1944.2 MPa和16.16 MPa·mm,与未添加LaO的硬质合金相比,分别提高了9.6%和7.9%。