不同烧结温度下碳化钨-高熵合金微观组织及性能表现

不同烧结温度下碳化钨-高熵合金微观组织及性能表现

前言

硬质合金因具有高硬度、优异的耐磨性和导热性，在矿产资源开采、机械加工和汽车制造等领域得到广泛应用。传统WC基硬质合金通常以Co作为粘结相，但Co在高温下容易软化，且热膨胀系数与WC相差较大，导致合金的高温硬度和热稳定性下降。近年来，多主元高熵合金因其独特的设计理念表现出优异的结构和力学性能，具有作为新型WC基硬质合金粘结相的潜力。

铖丰材料球形铸造碳化钨粉末

本文研究了烧结温度对以Al0.5CoCrFeNiTi0.5高熵合金（HEA）为粘结相的WC硬质合金微观组织和性能的影响。采用高能球磨和真空热压烧结技术制备了WC-Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬质合金，并通过正交试验设计，利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和显微硬度计等方法，分析了烧结参数对合金微观组织和性能的影响。结果表明，烧结温度对合金的力学性能有显著影响，WC晶粒尺寸和形貌是影响合金性能的关键因素。

实验材料及实验方法

实验所用原料为商用WC和Al0.5CoCrFeNiTi0.5高熵合金粉末，粉末粒径分别为200nm和10~25μm。首先，对粉末进行细化和均匀化处理，使用行星式球磨机将HEA原始粉末球磨细化至1μm，再与WC粉末混合均匀。然后，采用真空热压烧结技术制备WC-Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬质合金。通过正交试验设计，重点研究了烧结温度对合金微观组织和性能的影响，固定保温时间为60min，改变烧结温度，并分析不同烧结温度下合金的XRD谱图、SEM形貌及性能。

实验结果分析结论

XRD谱图分析

不同烧结温度下WC-20wt.%HEA硬质合金的XRD谱图表明，合金均由WC相和HEA粘结相组成，烧结温度对物相种类的影响较小。但随着烧结温度的升高，WC相的衍射峰强度明显增强，说明烧结温度提供了更高的烧结驱动力，增加了WC晶粒长大速率。

SEM形貌与EDS分析

SEM形貌图显示，不同烧结温度下WC晶粒形貌存在显著差异。在1200℃时，WC晶粒形貌呈类球状；随着烧结温度升高至1250℃，晶粒形貌逐渐转变为截角三棱柱状；当烧结温度达到1300℃时，粗大的WC晶粒逐渐增多，最终生长为尖角三棱柱状。EDS分析发现，WC晶粒具有规则形貌（亮白色），而HEA粘结相的形貌不规则（灰色和黑色），且HEA各组元发生了不同程度的扩散行为，产生元素偏聚现象。

晶粒尺寸分布

随着烧结温度的升高，WC晶粒尺寸在0200nm的占比减小，2001000nm的占比增加。当烧结温度从1200℃增加到1300℃时，WC平均晶粒尺寸由252.61nm增加到284.61nm，增加了12.67%。这表明烧结温度的升高促进了WC晶粒的生长。

性能分析

不同烧结温度下WC-20wt.%HEA硬质合金的性能如图5所示。随着烧结温度从1200℃增加到1300℃，合金的相对密度从97.52%逐渐增加至98.96%，硬度从2173HV减小至2010HV，而断裂韧性呈先增加后降低的趋势。在烧结温度为1250℃时，合金的断裂韧性达到最大值9.01MPa∙m1/2，此时硬度为2028HV，相对密度为98.85%。

根据Hall-Petch关系，WC-20wt.%HEA硬质合金硬度的降低归因于WC晶粒尺寸的增加。而断裂韧性的变化则与WC晶粒形貌有关。在烧结温度达到1300℃时，WC晶粒形貌主要为尖角三棱柱状，容易在裂纹扩展尖端形成应力集中区域，导致裂纹平直尖锐，降低合金的断裂韧性。

增韧机制

WC-20wt.%HEA硬质合金的增韧机制主要为裂纹桥接和裂纹偏转。高强韧HEA粘结相能够有效分散和吸收裂纹尖端能量，使裂纹在扩展过程中更易发生裂纹桥接和裂纹偏转，从而减缓裂纹扩展速度，提高合金的断裂韧性。

结论

烧结温度对WC-20wt.%HEA硬质合金的力学性能有显著影响。随着烧结温度的升高，合金相对密度逐渐增加，硬度逐渐降低，断裂韧性呈先增加后降低的趋势。

WC晶粒尺寸是影响合金相对密度和硬度的关键因素。随着烧结温度的升高，WC晶粒尺寸增大，导致合金硬度降低。

WC晶粒形貌是影响合金断裂韧性的主要因素。在烧结温度达到1300℃时，WC晶粒形貌主要为尖角三棱柱状，容易形成应力集中区域，降低合金的断裂韧性。