编辑推荐：文章研究了硬质合金掺Re的协同强化机理，发现Re添加会导致WC晶粒细化和{0001}织构的减弱，促进Co相从fcc到hcp的马氏体转变，并且大角度晶界和 CSL（Σ = 2，Σ = 13a）的数量随 Re 的增加而增加。协同强化使得具有6 wt% Re的硬质合金表现出1648.4 HV30的最高硬度和3690MPa的TRS，其磨损率约为不添加Re的硬质合金的五分之一。
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 。 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 。
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。（文：晓太阳）
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报 。
