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四川大學《MSEA》：添加Re元素的硬質合金的強化機理！

2022-03-28 14:02:19 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

硬質合金由其優異的力學性能，被廣泛應用于切削、鉆頭和耐磨零件。在這些領域，硬質合金需要優異的強度、硬度和耐磨性以承受巨大的應力。為了強化硬質合金，常添加各種碳化物或者金屬單質。

近日，來自四川大學的研究人員通過硬質合金摻雜Re，制得了硬度、TRS和耐磨性優異的硬質合金，相關論文以題為“Strengthening mechanism of cemented carbide containing Re”發表在Materials Science & Engineering A。

論文鏈接：

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

Re是一種具有潛力強化元素，其具有高熔點、強度和硬度，不僅細化晶粒，提高硬質合金的硬度和橫向斷裂強度，還能夠引發硬質合金中Co的相變，增強粘結相。由于Co與WC衍射峰重疊，XRD無法直接觀察到硬質合金中Co相變。此外，Re對硬質合金中晶界特征和織構分布的影響尚不明確，強化機制也有待探索。這項工作中，研究員制備了不同 Re 含量的 WC-10（Co-Re）硬質合金，基于Re對WC硬質相、Co粘結相和晶界特征的影響，討論了協同強化機制。

圖1 {0001}、{10-10}和{2-1-10}織構的極坐標圖：（a）WC-10Co, （b）WC-8Co-2Re, （c） WC-6Co-4Re, （d）WC-4Co-6Re

研究發現，Re的添加使得WC晶粒的形狀從多邊菱柱轉變為等軸晶，并改善異常生長。Re通過提高晶粒取向的隨機分布來削弱{0001}織構濃度，從而有利于性能的各向同性。Re在WC/Co界面處的分布可防止WC顆粒的生長和粘結相池的出現。Re優先溶解還會占據了粘合劑相中Co的空隙，阻礙了WC的固溶—沉淀過程，抑制WC晶粒長大。

圖2 不同Re含量電解硬質合金的XRD衍射圖譜。

電解樣品（除去屏蔽Co相衍射峰的WC）的XRD圖譜顯示{111}（fcc-Co）的衍射峰位置隨著Re含量的增加而略微向左移動，表明Re的固溶進入Co相內，導致晶格膨脹并引起固溶強化。Co相中的fcc-hcp相變為馬氏體相變，Re的添加可以降低Co的層錯能（SFE），促進馬氏體轉變。

圖3 不同顏色繪制的樣品 WC 晶界的 MAD 圖。

MAD定量展示了摻雜Re的硬質合金中WC/WC晶界（取向差角度為90°）的占比隨著晶粒尺寸的減小而增加，WC/WC晶界（取向差角度<90°）的占比隨著Re的添加而降低。

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

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

摻雜了Re的硬質合金中有更多的大角度晶界，小角度晶界的數量不變。重位點陣（CSL，Σ= 2（沿[10-10]軸的WC晶粒旋轉約90°），Σ= 13a（27.8°/[0001]扭曲晶界））分布顯示隨著Re的增加，CSL（Σ= 2）的數量增加，CSL（Σ= 13a）也隨之出現。兩者被認為是硬質合金中的低能晶界，可阻礙位錯的運動，從而累積位錯提高硬度和TRS。

圖6 不同Re含量硬質合金硬度、斷裂韌性、TRS和相對密度的變化趨勢

圖7 室溫磨損試驗后樣品磨損痕跡的二維形貌（a）WC-10Co,（b） WC-8Co-2Re, （c） WC-6Co-4Re, （d）WC-4Co-6Re

硬度的增加歸因于WC晶粒的細化和Co粘合劑相的相變（hcp-Co具有較少的滑移系統）。相反，由于晶界數量較多，斷裂韌性隨Re含量的升高而降低。TRS的改善是晶粒細化、粘結劑強化和相對密度相結合的結果。磨損機理表示硬質合金硬度的增加導致ZrO2陶瓷球的剝落，形成陶瓷潤滑層。硬度和陶瓷潤滑層的增加是降低了材料的磨損率主要原因。

Re誘導硬質合金中晶粒細化、Co相變和形成特殊晶界之間所引發的協同強化作用使得材料發揮出高硬度、TRS和優異的耐磨性。總的來說，Re作為硬質合金的添加相表現優異，有望作為硬質合金工業生產中的強化相，在實際的應用中具有較大的潛力。

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