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北京工業大學：超高強韌硬質合金研究新進展

2019-12-20 15:25:00 作者：本網整理來源：材料人分享至：

研究背景

硬質合金由于具有高的硬度和耐磨性被廣泛用作各種加工工具材料，號稱“工業的牙齒”，其中，WC-Co型硬質合金是目前產量和消費量最大的硬質合金材料。經歷了幾十年的發展，在硬質合金的工程應用中，硬度和耐磨性基本已能滿足服役性能的要求，而斷裂強度和沖擊韌性是當今硬質合金拓展應用尤其是高端應用的瓶頸。長期以來，對硬質合金這種金屬-陶瓷雙相復合以及在有添加物的條件下多元多相復合的材料，關于其強韌化機理缺乏系統的認識，對該類材料體系多元成分-組織結構-力學行為-綜合性能之間的關聯關系需要深入研究。

科學問題

目前，硬質合金領域來自工程應用的共性基礎研究科學問題可以總結為如下幾個方面：

■ 在超細晶和納米晶硬質合金的工業化制備過程中，必須通過添加晶粒長大抑制劑控制燒結過程中的晶粒長大。然而，抑制劑通常會對硬質合金的韌性和強度產生不利影響，需要全面理解抑制劑衍生組織的穩定性調控因素及對硬質合金組織結構和力學性能的影響。

■ 隨著硬質相晶粒尺寸降至亞微米尺度以下，內界面逐漸成為影響硬質合金韌性和強度的主導因素。然而，可穩定WC/Co相界和WC/WC晶界的因素及穩定化調控機制缺乏準確認識，低能界面的形成及其演變機理尚無共識。

■ 通過對硬質合金室溫和高溫下力學行為及其微觀機制的研究可加深對服役過程強韌化機理的理解，從而指導高性能硬質合金的設計制備。當前對于硬質合金的微觀形變機制、塑性來源以及高溫力學行為缺少系統的認識。

研究進展

北京工業大學宋曉艷教授團隊針對硬質合金工程應用中出現的實際問題，進行了系列基礎研究。課題組于2013年在國際上首次制備出高致密度均勻組織的納米晶硬質合金塊體材料，兼具高硬度與高韌性，并提出了納米晶雙相硬質合金的界面共格韌化理論 (Acta Mater. 2013, 61, 2154-2162)，進而在原位力學實驗中得到全面驗證 (Mater. Res. Lett. 2017, 5, 55-60)。最近，課題組結合理論建模和實驗設計，深入研究了硬質合金材料中可能出現的各種“界面組織”，發現了若干種2-6個原子層厚的界面組織的形成、影響因素及其穩定化途徑和微觀機制。結合添加劑優選和成分微調，實現了界面組織穩定性的準確調控，提出了含有V、Cr、Ti、Ta、Nb等元素的多種硬質合金中原子尺度的相界面匹配對材料抗沿晶斷裂的作用機理。進一步，通過晶粒長大抑制劑優化和燒結致密化溫度的協同調控，獲得了界面組織穩定性、表面能各向異性對低能晶界Σ2和Σ13a的形成和演變的影響規律。由此突破了在硬質合金中提高WC/Co共格相界與WC/WC低能晶界分布比例的可控制備難題。相關成果分別以“Complexions in WC-Co cemented carbides”和“Low-energy grain boundaries in WC-Co cemented carbides”為題連續發表在Acta Mater. 2018, 149, 164-178和Acta Mater. 2019, 175, 171-181 (第一作者均為博士生劉興偉)。以基礎研究為指導，課題組與企業合作批量制備出了平均橫向斷裂強度超過5200MPa、斷裂韌性超過13.0MPa·m^1/2的超高強高韌硬質合金棒材，斷裂強度值為目前國際上報道的同類硬質合金中斷裂強度的最高性能指標。

此外，課題組對硬質合金的組織結構-力學行為-綜合性能之間的關聯關系進行了大量研究。實驗方面，通過原位力學實驗認識到外加載荷下硬質合金的微觀組織演變特征尤其是位錯、層錯運動規律；借助精細結構表征和晶體學分析，提出了高強韌硬質合金中硬質相和韌性相的晶體缺陷交互作用機制，揭示了其對延緩裂紋形核、抵抗裂紋擴展的影響機理。尤其是，針對硬質相的應變行為，研究提出了室溫下WC相的主要滑移系可產生壓桿位錯，而高溫下新滑移系激活產生可動位錯提供塑性貢獻，定量揭示了硬質合金的塑性應變與滑移系和位錯運動之間的關聯及其隨溫度的變化規律。模擬計算方面，采用分子動力學方法對雙晶和多晶硬質合金在室溫和高溫下的力學行為進行了研究，在原子尺度上闡明了晶界、相界、晶內缺陷和晶粒尺寸等影響硬質合金變形和斷裂行為的微觀機理。在電子尺度上，采用第一性原理計算分析了WC的電子態密度和成鍵形式，闡明了WC高硬度的微觀機理，提出通過微量固溶具有高功函數的金屬元素，可進一步提高WC彈性模量和硬度；進而在實驗中成功合成了更高硬度的Re固溶無粘結相WC塊體材料。上述研究進展于2019年在國際知名期刊《晶體學會刊》上連續發表3篇文章： Acta Cryst. 2019, B75, 134-142 (第一作者為碩士生方婧)；Acta Cryst. 2019, B75, 994-1002 (第一作者為呂皓博士)；Acta Cryst. 2019, B75, 1014-1023 (第一作者為博士生胡華鑫)。在介觀和宏觀尺度上，創建了基于真實硬質合金材料三維組織結構的有限元模型，研究了承載過程中制備態殘余熱應力與外加應力交互作用下硬質合金內部不均勻應變響應及塑性變形行為，揭示了微觀組織結構-變形行為-斷裂韌性之間的關聯規律。該成果發表于國際知名期刊Int. J. Plasticity, 2019, 121, 312-323 (第一作者為李亞楠博士)。