【摘 要】
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WC-Co硬质合金是制造业中切削刀具、冲击工具、耐磨零件的重要材料,但在腐蚀或者高温等苛刻环境下工作时,粘结相Co的低耐腐蚀性和耐高温性能限制了其应用。高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)具有硬度高、强度好、耐蚀性和耐磨性好以及高温稳定性等优点,是近年来材料领域的研究热点。本文选择了四种高熵合金材料(Co Cr Fe Ni、Co Cr Fe Ni Al、Co Cr Fe N
【基金项目】
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上海市自然科学基金资助项目(18ZR1401100);
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WC-Co硬质合金是制造业中切削刀具、冲击工具、耐磨零件的重要材料,但在腐蚀或者高温等苛刻环境下工作时,粘结相Co的低耐腐蚀性和耐高温性能限制了其应用。高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)具有硬度高、强度好、耐蚀性和耐磨性好以及高温稳定性等优点,是近年来材料领域的研究热点。本文选择了四种高熵合金材料(Co Cr Fe Ni、Co Cr Fe Ni Al、Co Cr Fe Ni Al Cu和CoCrFeNiAlTi)作为WC基硬质合金的粘结相,通过机械合金化法制备高熵合金粉末,真空热压烧结制备WC-HEA硬质合金,并与WC-Co硬质合金进行了比较,对高熵合金粉末的制备和性能、WC-HEA的力学性能及耐磨性、耐蚀性进行了研究。论文得到的主要结论如下:1、通过机械合金化法制备四种高熵合金粉末。以Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu和Ti七种元素的粉末为原料,按照等原子比配制了Co Cr Fe Ni、Co Cr Fe Ni Al、Co Cr Fe Ni Al Cu和CoCrFeNiAlTi四种混合粉。之后,使用球磨法制备高熵合金粉末,并用SEM、XRD对高熵合金粉末进行了表征。研究结果表明,机械合金化后,四种合金粉末均形成了成分均匀的单相固溶体。其中,Co Cr Fe Ni、Co Cr Fe Ni Al与Co Cr Fe Ni Al Cu高熵合金粉末由BCC结构主相和FCC结构二次相构成,而CoCrFeNiAlTi粉末中仅有BCC结构相。2、比较了不同WC-HEA硬质合金的力学性能。以WC与HEA粉末为原料,在相同的烧结工艺条件下制备出WC-HEA硬质合金,使用XRD、SEM对WC-HEA硬质合金的组织结构进行表征,并对相对密度、WC晶粒尺寸、硬度与断裂韧性进行测量。研究结果表明,在烧结过程中,HEA的相结构由BCC转变成FCC结构。在所有高熵合金为粘结相的WC基硬质合金组织中均有氧化物的产生,且WC晶粒尺寸均小于WC-Co。WC-Co Cr Fe Ni、WC-Co Cr Fe Ni Al Cu和WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金的硬度高于WC-Co,WC-Co Cr Fe Ni Al的硬度略低于WC-Co,但所有高熵合金为粘结相的WC基硬质合金的断裂韧性值均高于WC-Co。其中,WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金的综合性能最佳,硬度(2050 MPa)与断裂韧性(10.07MPa?m1/2)分别比WC-Co硬质合金提高14.20%和14.90%。其主要增韧机理为裂纹偏转、裂纹桥接和WC晶粒拔出。3、研究了WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金的耐磨性。以WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金为研究对象,YG6为摩擦副材料,进行了常温与高温下的摩擦磨损实验。研究结果表明,在常温和高温条件下,WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金的摩擦系数与磨损量(率)均低于WC-Co,表现出优良的耐磨性。其磨损机理主要为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。4、研究了WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金的耐腐蚀性。以WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金为研究对象,在3.5%Na Cl溶液中进行了浸泡腐蚀与电化学腐蚀实验。研究结果表明,浸泡腐蚀中,WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金的单位面积质量损失远低于WC-Co硬质合金。电化学腐蚀中,WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金具有较高的的开路电位、Ecorr值和极低的Icorr值。同时,WC-CoCrFeNiAlTi硬质合金的电阻、容抗弧半径、阻抗值均大于WC-Co,表现出优异的耐腐蚀性能。其原因在于:WC-Al Co Cr Fe Ni Ti硬质合金表面的钝化膜更为致密完整,腐蚀产物中包含多种氧化物(Ti O2、Al2O3和Cr2O3等)。
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