編輯推薦：鉬基材料的探索的關鍵在于強度增強。文章在Mo基體中引入二次相WC，研究了相組成、微觀組織和力學性能。結果表明，WC顆粒的加入能顯著改善復合材料的力學性能，燒結后的Mo-12%WC復合材料的極限抗拉強度為591.5 MPa，硬度為242.7 HV，比純Mo復合材料分別高出21.2%和49.5%。在燒結過程中，添加劑WC顆粒與Mo基體反應生成W和Mo2C，前者溶解在Mo基體中產(chǎn)生固溶強化；后者Mo2C阻礙晶界遷移(GBs)，限制Mo的晶粒長大，導致晶粒尺寸變小。本研究為可分解添加劑的原位增強高性能復合材料的設計提供了一條途徑。

難熔金屬鉬(Mo)及其合金由于具有較高的熔化溫度(2620 °C)、令人滿意的力學性能、優(yōu)異的電導率和導熱性等特點，已廣泛應用于電子、冶金和化工等行業(yè)然而，隨著工業(yè)應用的探索和發(fā)展，對更高的力學性能提出了更高的要求，以滿足特定領域的各種需求，特別是燒結坯的直接使用而不進一步加工。二次相顆粒也被認為可以提高力學性能，然而，雖然引入了大量的二次相顆粒來增強Mo基體，但很少關注在彌散強化中起關鍵作用的相界面。

中南大學研究組重點研究了WC的二次相，通過原位形成共格相界面，實現(xiàn)了相界面工程，顯著改善了Mo基體的力學性能，并對相應的強化機制進行了探討。相關論文以題為“Preparation and in-situ strengthening mechanisms of Mo composites with the addition of WC”發(fā)表在Materials Science and Engineering: A。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143478

圖1a為各坯料的工程應力-應變曲線。可以看出，W和WC的加入都能顯著提高拉伸強度，但總伸長率(TE)被犧牲。隨著WC添加量的增加，UTS逐漸升高，在Mo-12%WC時達到最大值(591.5 MPa)。但當WC添加量超過14%時，TE呈線性降低，接近于0。根據(jù)XRD譜圖可以推斷，WC顆粒與Mo基體反應生成Mo2C，而W元素在燒結過程中溶解到基體中取代了伴隨晶格畸變的Mo元素，形成固溶強化。通過比較P-Mo、Mo-12%W和Mo-12%WC的力學性能，發(fā)現(xiàn)溶解的W和Mo2C顆粒對力學性能均有正向影響。因此，力學性能的變化應與溶解的W和分散的Mo2C的演變高度相關，分別對應于固溶強化和彌散強化

圖1

文章還計算了自由能隨溫度的變化趨勢，相關系數(shù)γ反映了兩個變量之間的相關程度。而通過計算，相關系數(shù)γ的絕對值為0.9994，非常接近1，說明T與ΔG之間的線性相關程度相當高。因此，我們可以使用標準吉布斯自由能表達式在不同溫度下計算ΔG。由標準吉布斯自由能表達式繪制的直線如圖2a所示。顯然，ΔG的值為負，說明Mo可以與WC反應，形成Mo2C和W。小失配δ（1.35%）和Mo2C(-1-21)與Mo(1-10)之間高的平行性說明界面共格性，這樣有利于增強相界面的結合，獲得較好的力學性能。

圖2 (a)ΔG隨T的變化;(b) Mo-12%WC上Mo基體的HRTEM圖像和衍射斑;(c) Mo2C的TEM圖像和衍射斑，(d) Mo-12%WC中Mo基體與二次相的界面結構。

一般情況下，二次相的強化效果與其尺寸和體積分數(shù)密切相關。減小顆粒尺寸、增大顆粒體積對提高強度有積極作用，但過量的顆粒加入會導致團聚，形成較大的二次相顆粒，使力學性能惡化。統(tǒng)計了第二相顆粒的粒徑和體積分，隨著WC添加量的增加，Mo2C的粒徑和體積分數(shù)逐漸增大。值得注意的是，HAADF圖像進一步顯示，在Mo-14%WC和Mo-28%WC中，Mo2C的粒徑變得非常大，超過2 μm。

圖3  (a) Mo-14%WC和(b) Mo-28%WC的HAADF圖像。

由此可見，WC的加入可以顯著提高Mo基體的強度，其增強機制包括固溶、晶粒細化和彌散三種，根據(jù)相應公式計算了不同機制對Mo-12%WC的強度貢獻。計算得到的總強度提高約為86.1 MPa，其中固溶強化為13.46 MPa，細晶強化為13.52 MPa，彌散強化為59.12 MPa，彌散強化占主導地位。

圖4 WC對Mo復合材料的強化示意圖。

總而言之，文章研究了Mo元素添加WC顆粒之后的微觀組織和力學性能，并且分析了性能的強化機理。結果發(fā)現(xiàn)添加劑WC顆粒與Mo基體發(fā)生反應，生成Mo2C和W，Mo2C可以與基體Mo形成共格相界面，達到強化相界的效果。添加WC后的強化機制包括固溶、晶粒細化和彌散強化，這項研究為可分解添加劑的原位增強高性能復合材料的設計提供了一條途徑。