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北京工業(yè)大學(xué)：超高強(qiáng)韌硬質(zhì)合金研究新進(jìn)展

2019-12-20 15:25:00 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

研究背景

硬質(zhì)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(hào)稱“工業(yè)的牙齒”，其中，WC-Co型硬質(zhì)合金是目前產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的硬質(zhì)合金材料。經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，在硬質(zhì)合金的工程應(yīng)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(qiáng)度和沖擊韌性是當(dāng)今硬質(zhì)合金拓展應(yīng)用尤其是高端應(yīng)用的瓶頸。長(zhǎng)期以來，對(duì)硬質(zhì)合金這種金屬-陶瓷雙相復(fù)合以及在有添加物的條件下多元多相復(fù)合的材料，關(guān)于其強(qiáng)韌化機(jī)理缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，對(duì)該類材料體系多元成分-組織結(jié)構(gòu)-力學(xué)行為-綜合性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系需要深入研究。

科學(xué)問題

目前，硬質(zhì)合金領(lǐng)域來自工程應(yīng)用的共性基礎(chǔ)研究科學(xué)問題可以總結(jié)為如下幾個(gè)方面：

■ 在超細(xì)晶和納米晶硬質(zhì)合金的工業(yè)化制備過程中，必須通過添加晶粒長(zhǎng)大抑制劑控制燒結(jié)過程中的晶粒長(zhǎng)大。然而，抑制劑通常會(huì)對(duì)硬質(zhì)合金的韌性和強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，需要全面理解抑制劑衍生組織的穩(wěn)定性調(diào)控因素及對(duì)硬質(zhì)合金組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

■ 隨著硬質(zhì)相晶粒尺寸降至亞微米尺度以下，內(nèi)界面逐漸成為影響硬質(zhì)合金韌性和強(qiáng)度的主導(dǎo)因素。然而，可穩(wěn)定WC/Co相界和WC/WC晶界的因素及穩(wěn)定化調(diào)控機(jī)制缺乏準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，低能界面的形成及其演變機(jī)理尚無共識(shí)。

■ 通過對(duì)硬質(zhì)合金室溫和高溫下力學(xué)行為及其微觀機(jī)制的研究可加深對(duì)服役過程強(qiáng)韌化機(jī)理的理解，從而指導(dǎo)高性能硬質(zhì)合金的設(shè)計(jì)制備。當(dāng)前對(duì)于硬質(zhì)合金的微觀形變機(jī)制、塑性來源以及高溫力學(xué)行為缺少系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

研究進(jìn)展

北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)硬質(zhì)合金工程應(yīng)用中出現(xiàn)的實(shí)際問題，進(jìn)行了系列基礎(chǔ)研究。課題組于2013年在國(guó)際上首次制備出高致密度均勻組織的納米晶硬質(zhì)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(zhì)合金的界面共格韌化理論 (Acta Mater. 2013, 61, 2154-2162)，進(jìn)而在原位力學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到全面驗(yàn)證 (Mater. Res. Lett. 2017, 5, 55-60)。最近，課題組結(jié)合理論建模和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，深入研究了硬質(zhì)合金材料中可能出現(xiàn)的各種“界面組織”，發(fā)現(xiàn)了若干種2-6個(gè)原子層厚的界面組織的形成、影響因素及其穩(wěn)定化途徑和微觀機(jī)制。結(jié)合添加劑優(yōu)選和成分微調(diào)，實(shí)現(xiàn)了界面組織穩(wěn)定性的準(zhǔn)確調(diào)控，提出了含有V、Cr、Ti、Ta、Nb等元素的多種硬質(zhì)合金中原子尺度的相界面匹配對(duì)材料抗沿晶斷裂的作用機(jī)理。進(jìn)一步，通過晶粒長(zhǎng)大抑制劑優(yōu)化和燒結(jié)致密化溫度的協(xié)同調(diào)控，獲得了界面組織穩(wěn)定性、表面能各向異性對(duì)低能晶界Σ2和Σ13a的形成和演變的影響規(guī)律。由此突破了在硬質(zhì)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(guān)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(xù)發(fā)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(chǔ)研究為指導(dǎo)，課題組與企業(yè)合作批量制備出了平均橫向斷裂強(qiáng)度超過5200MPa、斷裂韌性超過13.0MPa·m^1/2的超高強(qiáng)高韌硬質(zhì)合金棒材，斷裂強(qiáng)度值為目前國(guó)際上報(bào)道的同類硬質(zhì)合金中斷裂強(qiáng)度的最高性能指標(biāo)。

此外，課題組對(duì)硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)-力學(xué)行為-綜合性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了大量研究。實(shí)驗(yàn)方面，通過原位力學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到外加載荷下硬質(zhì)合金的微觀組織演變特征尤其是位錯(cuò)、層錯(cuò)運(yùn)動(dòng)規(guī)律；借助精細(xì)結(jié)構(gòu)表征和晶體學(xué)分析，提出了高強(qiáng)韌硬質(zhì)合金中硬質(zhì)相和韌性相的晶體缺陷交互作用機(jī)制，揭示了其對(duì)延緩裂紋形核、抵抗裂紋擴(kuò)展的影響機(jī)理。尤其是，針對(duì)硬質(zhì)相的應(yīng)變行為，研究提出了室溫下WC相的主要滑移系可產(chǎn)生壓桿位錯(cuò)，而高溫下新滑移系激活產(chǎn)生可動(dòng)位錯(cuò)提供塑性貢獻(xiàn)，定量揭示了硬質(zhì)合金的塑性應(yīng)變與滑移系和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)及其隨溫度的變化規(guī)律。模擬計(jì)算方面，采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)雙晶和多晶硬質(zhì)合金在室溫和高溫下的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，在原子尺度上闡明了晶界、相界、晶內(nèi)缺陷和晶粒尺寸等影響硬質(zhì)合金變形和斷裂行為的微觀機(jī)理。在電子尺度上，采用第一性原理計(jì)算分析了WC的電子態(tài)密度和成鍵形式，闡明了WC高硬度的微觀機(jī)理，提出通過微量固溶具有高功函數(shù)的金屬元素，可進(jìn)一步提高WC彈性模量和硬度；進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)中成功合成了更高硬度的Re固溶無粘結(jié)相WC塊體材料。上述研究進(jìn)展于2019年在國(guó)際知名期刊《晶體學(xué)會(huì)刊》上連續(xù)發(fā)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(chuàng)建了基于真實(shí)硬質(zhì)合金材料三維組織結(jié)構(gòu)的有限元模型，研究了承載過程中制備態(tài)殘余熱應(yīng)力與外加應(yīng)力交互作用下硬質(zhì)合金內(nèi)部不均勻應(yīng)變響應(yīng)及塑性變形行為，揭示了微觀組織結(jié)構(gòu)-變形行為-斷裂韌性之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。該成果發(fā)表于國(guó)際知名期刊Int. J. Plasticity, 2019, 121, 312-323 (第一作者為李亞楠博士)。