WC-Ni基硬质合金微观结构和物理力学性能调控研究进展

WC-Ni基硬质合金用作磁性材料成形模具、核主泵机械密封关键部件以及磨蚀性服役工况耐磨零件独具优势。由于材料体系的本征特性,与WC-Co合金相比,在黏结金属含量相同和合金晶粒度相近条件下,WC-Ni基合金强度、硬度和韧性均明显较低,高性能化面临挑战。本文对WC-Ni三元合金和含其它合金组元WC-Ni基合金的微观结构和物理力学性能调控,以及含Ti板状晶WC-Ni基合金的研究进展进行综述,旨在奠定高性能WC-Ni基硬质合金新材料高效开发的基础。

WC-Ni基硬质合金的基础研究进展

WC-Ni基硬质合金可应用在磁性材料成形模具和核主泵机械密封关键部件等极端工况领域。由于材料体系的本征特性,WC-Ni基硬质合金的高性能化和质量稳定性控制一直面临挑战。两相区碳窗口、固液转变温度、液相烧结过程中的润湿行为,以及合金组元在黏结相中的固溶特性,是硬质复合材料成分及其制备工艺设计的关键参数。本文以制备工艺体系最完善的WC-Co基硬质合金为参比对象,从上述4个方面对WC-Ni基硬质合金的本征特性及其研究进展进行综述,旨在强化对WC-Ni基硬质合金本征特性的理解,为高性能WC-Ni基硬质合金新材料高效开发提供参考。

Mo添加对WC-Ni硬质合金微结构及性能的影响

采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和性能检测等方法研究了不同Mo添加量对WC-Ni-Mo硬质合金的WC粒度、硬度、摩擦磨损和耐腐蚀性能的影响。结果表明:在研究的成分范围内(w(Mo)=1.5%~2.0%),WC的平均晶粒尺寸基本不随Mo添加量的变化而变化;随Mo添加量的增加,WC-Ni-Mo硬质合金的硬度略微有所下降,而摩擦磨损性能得到提升。Mo质量分数为2%的WC-Ni-Mo硬质合金在酸性溶液中的耐腐蚀能力要高于Mo质量分数为1.5%的合金,并且具有更好的电化学稳定性。总体来看,WC-8.0%Ni-2.0%Mo合金的综合性能优于WC-8.5%Ni-1.5%Mo硬质合金。

WC-Ni基硬质合金的光固化增材制造

采用光固化增材制造(3D打印)技术制备WC-Ni基硬质合金,研究了浆料配比和增材制造工艺参数对浆料流变性能和固化性能的影响以及WC-Ni基硬质合金的性能。结果表明:当浆料固含量为40%(体积分数)、分散剂为ZN-1344且加入量为粉体质量的2%时,WC-Ni浆料的流变性能满足增材制造工艺需求,当剪切速率为100 s^(-1)时,浆料黏度为2.718 Pa·s;该浆料的最大单层固化厚度可达144μm,对应工艺参数为0.01 mm线间距、90%激光功率和2 000 mm/s扫描速度;采用响应曲面法拟合数据获得的浆料单层固化厚度计算模型,计算值与实际值误差为3.4%,可起理论预测作用;光固化增材制造WC-15%Ni硬质合金的密度和相对密度最高,分别为13.51 g/cm^(3)和96.5%,加入1%晶粒长大抑制剂Cr_(3)C_(2)后,硬质合金维氏硬度显著提高,达到945 HV_(30),接近同等Ni含量但不含有Cr_(3)C_(2)的传统硬质合金硬度。

Ni-WS_(2)/MoS_(2)包覆WC-12Ni粉体对HVOF涂层摩擦磨损性能的影响

以化学共沉积Ni-WS_(2)/MoS_(2)包覆WC-12Ni粉体为原料,在17-4PH不锈钢基体上制备了超音速火焰喷涂(HVOF)涂层。采用场发射扫描电子显微镜对涂层组织结构进行表征,分别通过测定涂层的显微硬度、摩擦系数和磨损率,并结合粉体特征及涂层的孔隙结构分析来评价涂层摩擦学性能。实验结果表明,通过化学共沉积包覆喷涂粉体引入固体润滑剂,不仅能保证喷涂粉体的流动性,还能实现较均匀固体润滑剂掺杂,显著降低涂层孔隙率、提高致密化程度,获得低摩擦系数、低磨损率以及提高的涂层硬度和耐磨性。其中,由于WS_(2)与WC硬质合金有更好的成分相容性,WC-Ni-WS_(2)涂层的减摩耐磨性能要优于WC-Ni-MoS_(2)涂层。

基于响应面法的Ni60/WC涂层表面织构皮秒分束工艺参数预测研究

目的实现六分束激光在Ni60/WC涂层表面烧蚀目标织构激光加工工艺参数的精确选择。方法基于CCD响应面法,设计在不同的激光工艺参数下对Ni60/WC涂层表面进行织构烧蚀试验,以激光频率、扫描次数、扫描速度为影响因素,以圆凹坑织构直径、深度及由其直径和深度综合加权所得的综合目标为响应目标,建立目标织构所需激光工艺参数的预测模型,以织构直径、深度及综合目标作为优化条件,对预测模型进行实验验证。结果扫描次数对织构直径的影响最显著,单个脉冲光斑上所聚集的能量大小是影响织构直径误差的关键因素。对织构深度影响最显著为扫描次数和频率,织构深度与扫描次数、频率呈正相关,不同因素间的交互作用是影响织构加工结果的关键。通过对预测模型所优选的参数进行实验验证发现,以织构直径和深度、综合目标建立的预测模型优选工艺参数所加工圆凹坑织构的质量评价指标与其预测指标的误差率分别为19.37%、3.57%。功率为6 W时,六分束激光加工最优工艺参数为速度5500 mm/s、频率400 kHz、扫描2次。结论通过综合目标建立的Ni60/WC涂层表面圆凹坑织构六分束激光加工参数优选预测模型精确程度较高,能够实现Ni60/WC涂层表面加工所需织构激光参数的准确预测,为涂层表面织构加工激光参数精确选择提供了理论依据。

Ni/ZrO_(2)-SO_(4)^(2-)催化剂的制备及其催化甲烷与CO_(2)制乙酸性能

以Zr(NO_(3))4·5H_(2)O和Ni(NO_(3))2·6H_(2)O为原料、(NH4)2CO_(3)为沉淀剂,采用溶胶凝胶-硫酸酸化两步法制备了Ni/ZrO_(2)-SO_(4)^(2-)催化剂,采用XRD,FTIR,SEM,N_(2)吸附-脱附,H_(2)-TPR,NH3-TPD等方法对Ni/ZrO_(2)-SO_(4)^(2-)催化剂进行表征,考察了Ni的引入方式对催化剂的结构和性能的影响。实验结果表明,与共沉淀方式引入Ni制备的Ni/ZrO_(2)-SO_(4)^(2-)催化剂相比,采用溶胶凝胶方式引入Ni制备的催化剂的四方相ZrO_(2)占比更高,表面酸量更多,且具有良好的热稳定性和较强的L酸性;采用溶胶凝胶方式引入Ni制备的Ni/ZrO_(2)-SO_(4)^(2-)催化剂的乙酸生成量明显优于共沉淀方式引入Ni制备的Ni/ZrO_(2)-SO_(4)^(2-)催化剂。四方相ZrO_(2)、酸性位点和过渡金属Ni之间的协同作用促进了甲烷与CO_(2)直接反应合成乙酸。

表面机械研磨法制备Ni+WC复合涂层的耐磨性研究

为强化TA1钛合金的组织结构并提高其耐磨损性能,采用行星式机械球磨装置,在Ni与WC 2种粉末配比分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1及5∶1的5种混合型增强介质下对TA1合金进行表面机械复合强化处理,在0.05 MPa氮气气氛下,设定转速为350 r/min,时间为8 h,对TA1钛合金进行表面机械变形+固相涂层复合强化处理,这种一步法表面复合强化技术具有工艺简单、能耗少、涂层选材灵活等优势。结果显示:TA1钛合金表面形成由Ni+WC涂层+形变细晶区组成的复合强化层,涂层区厚度在40μm以上,其中Ni∶WC为3∶1时所得复合涂层内部缺陷最少,且连续均匀。在5 N、10 N载荷下Ni∶WC为3∶1摩擦系数相较于其他比例低,摩擦区间更加稳定且持续时间更长。2种载荷下磨损量均较TA1原样少,其中Ni∶WC为3∶1的强化样磨痕深度、磨损量均优异于其他4种配比,因此减摩效果最为优异。此种Ni、WC混合增强介质下表层机械复合强化工艺可大幅提升TA1钛合金表层耐磨损性。混合增强颗粒涂层具有较强的减摩效果,其磨损机制主要是磨粒磨损与氧化磨损。

激光熔覆Ni/WC梯度复合涂层的组织与性能研究

目的减少涂层内部缺陷,提高Cr12MoV模具钢表面的显微硬度及耐磨性。方法采用激光熔覆技术在Cr12MoV钢上逐层制备Ni60-Ni60/25%WC(Ni/WC)梯度复合涂层。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计、摩擦试验机和冲击试验机,研究梯度复合涂层的物相组成、微观组织、显微硬度、耐磨性与冲击韧性。结果在Cr12MoV的基体上制备Ni/WC梯度复合涂层,Ni60层与Ni60/25%WC冶金结合理想。Ni/WC梯度复合涂层的表面主要物相为γ-(Fe,Ni)、FeNi_(3)、CrB、Cr_(7)C_(3)、Cr_(23)C_(6),从Ni60层底部到顶部依次为胞状晶、柱状晶、细小的等轴枝晶。Ni/WC梯度复合涂层硬度呈梯度分布,涂层的平均硬度达到698.5HV,相较于基体提高了约55.2%。与基体相比,Ni/WC梯度复合涂层表现出更好的耐磨性能,摩擦系数和磨损率分别下降了40.92%和28.6%,其中基体表现为黏着磨损,然而涂层整体表现为磨粒磨损。但较基体而言,Ni/WC梯度复合涂层的冲击韧性值降低了32.48%,复合涂层区域表现为脆性断裂。结论Ni/WC梯度复合涂层冶金结合良好,同时与基体相比,Ni/WC梯度复合涂层可以有效提高硬度及耐磨性,但冲击韧性有所降低。

Ni/γ-Al_(2)O_(3)催化苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物加氢

以γ-Al_(2)O_(3)为原料、碳酸铵为沉淀剂,采用沉积-沉淀法制备了Ni/γ-Al_(2)O_(3)催化剂,将其应用于苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)嵌段共聚物催化加氢。通过XRD、TEM、XPS、1HNMR和DSC对催化剂和产物进行了表征。考察了载体种类、Ni理论负载量(以载体质量为基准,下同)、反应条件对SIS加氢反应的影响。结果表明,以γ-Al_(2)O_(3)为载体并负载10%的Ni为催化剂、环己烷为溶剂、反应温度为140℃、反应压力为1MPa、反应时间3.0 h的条件下,催化剂具有最优活性,聚异戊二烯嵌段加氢度达到85%,副反应苯环的加氢度<10%。

miR-149-3p通过调控NIS促进甲状腺乳头状癌增殖和迁移

目的探讨miR-149通过调控钠/碘共同转运体(Sodium/Iodide Sympoter,NIS)调控甲状腺乳头状癌(Papillary Thyroid Carcinoma,PTC)细胞增殖和迁移能力。方法对选取的GSE113629转录组数据进行数据处理,筛选其中表达差异较为明显且在PTC组织中表达明显增高的MicroRNA(miRNA)作为研究分子。通过在线数据库预测目标miR-NA的下游靶基因,随后检测调控目标miRNA表达后靶基因变化情况并观察靶基因水平改变对甲状腺癌细胞生物学行为的影响。结果在GSE112629数据集中,研究发现miR-149-3p在PTC组织中高表达。通过对miR-149-3p预测靶基因进行维恩分析,我们发现NIS是miR-149-3p的重要靶基因。通过分析GEPIA和UALCAN数据库,我们发现NIS在PTC样本中明显低表达,同时发现PTC的淋巴结转移率越高、分期级别越高则NIS表达量越低,并且NIS表达量与患者无病生存期(Disease Free Survival,DFS)呈正相关。在多种PTC细胞系中miR-149-3p表达水平均高于正常甲状腺细胞系,抑制PTC细胞内miR-149-3p表达后细胞内NIS表达水平明显升高。当敲低miR-149-3p时,细胞的增殖活性和迁移能力受到明显抑制。结论PTC中miR-149-3p高表达,并且miR-149-3p能够通过抑制NIS表达明显增强PTC的增殖活性和迁移能力。

Ni/SiO_(2)催化剂催化2-甲基呋喃加氢性能

以硝酸镍为镍源、酸/碱性硅溶胶为硅源,采用共沉淀法制备了2种Ni/SiO_(2)催化剂。采用固定床反应器,评价Ni/SiO_(2)催化剂对于2-甲基呋喃(2-MF)气相加氢合成2-甲基四氢呋喃(2-MTHF)的反应性能。通过XRD、N_(2)等温吸附-脱附、H_(2)-TPR、NH3-TPD、XPS、FTIR和TEM对催化剂进行了表征。考察了硅溶胶的酸碱性对Ni/SiO_(2)催化剂结构及性能的影响。结果表明,以酸性硅溶胶为硅源制备的Ni/SiO_(2)催化剂以弱酸中心酸量为主且存在中强酸中心,比表面积、平均孔径大,因而该催化剂加氢活性和2-MTHF的选择性较高。Ni/SiO_(2)催化剂稳定性良好,在最优反应条件〔温度90℃、H_(2)压力2 MPa、质量空速4.4 g 2-MF/(g催化剂·h)、H_(2)与2-MF物质的量之比为4∶1〕下进行催化剂稳定性测试(200 h),2-MF的转化率达到99.8%,2-MTHF的选择性均保持在97.5%左右。

基于田口-灰色关联法的Ni60+WC激光熔覆涂层工艺参数优化

目的 优化Ni60+WC激光熔覆工艺参数,提高熔覆层质量。方法 设计三因素四水平正交试验,通过激光熔覆手段,在Q235钢板表面激光熔覆Ni60+25%WC粉末,并结合超景深光学显微镜和扫描电子显微镜观察熔覆层形貌。同时,以熔覆层几何形貌和气孔率作为优化目标,评估工艺参数对其的影响。结合灰色关联理论,对熔覆层最佳工艺参数进行预测,并进行试验验证。结果 优化后的熔覆层主要以胞状晶为主,且熔覆层和基体形成了良好的冶金结合。采用田口-灰色关联法对激光熔覆工艺参数进行优化,极大地减少了试验次数(从64次减少到16次)。灰色关联度的预测值(0.626 553)与试验验证值(0.672 659)有较高的吻合度,误差仅为7%。优化后的工艺参数组合为激光功率1100W,扫描速度为10mm/s,送粉速率为7.6 g/min。优化后的熔覆层宽度增加了22%(1 949μm增加到2 383μm),稀释率降低了58%(24.42%降低至10.33%),优化后的稀释率更接近目标值10%。同时,气孔率也降低了7%(0.329%降低至0.306%)。优化后的熔覆层润湿角仍小于70°,符合优化目标。结论 田口-灰色关联法能极大地减少试验次数,并较为准确地实现激光熔覆工艺参数的预测优化,有效提高熔覆层的质量,为解决复杂多响应问题的参数优化提供了一种有效手段。

Mo对激光熔覆WC/Ni35涂层组织与性能的影响

针对高WC含量的WC/Ni35熔覆层容易出现裂纹的问题,在WC/Ni35熔覆层中添加2、5和8 mass%Mo元素,研究Mo对WC/Ni35熔覆层组织与性能的影响。结果表明:随着Mo元素含量的增加,WC/Ni35熔覆层组织更加致密细小,柱状晶减少,等轴晶增加。添加2和5 mass%Mo元素的熔覆层中,Ni _(17)W_(3)、Cr_(4)Ni_(15)W等新的硬质相数量增多,导致熔覆层平均硬度增大;添加8 mass%Mo元素的熔覆层中,物相较多以含Mo的韧性相存在,其平均硬度和添加5 mass%Mo元素的熔覆层持平。Mo元素含量增加到5 mass%时,熔覆层中产生新的W的化合物,减少W元素的偏析现象,同时Cr元素对钝化膜的修复作用,使熔覆层耐腐蚀性提高;添加8 mass%Mo元素的熔覆层由于Cr的析出导致出现贫Cr区,熔覆层的耐腐蚀性降低。添加8 mass%Mo元素的熔覆层没有产生裂纹。在高WC含量的WC/Ni35熔覆层中添加8 mass%Mo元素,可以获得无裂纹、组织致密的熔覆层,其硬度提高,耐腐蚀性略有降低。

WC粒度、配碳量对WC-9%Ni硬质合金组织与性能的影响

采用Ni作为黏结相,通过粉末冶金工艺制备WC-9%Ni(质量分数)硬质合金,通过光学显微镜、硬度仪、X衍射分析仪等仪器,研究WC粒度、配碳量对WC-9%Ni硬质合金组织与性能的影响。结果表明:合金晶粒度受配碳量的影响较小,随WC粒度增大而增大;合金硬度随配碳量增加而降低,随WC粒度增大而降低。费氏粒度1.78μm的WC与费氏粒度2.4μm的WC制备的合金洛氏硬度最高分别为88.6HRA、87.5HRA,维氏硬度HV30最高分别为11.9、11.0 GPa。合金矫顽磁力与比饱和磁化强度极低,合金断裂韧性随配碳量的增加而降低,随WC粒度增加而增加,抗弯强度受配碳量影响较小,随WC粒度增加而降低。

(V,Cr,W)C复合粉末对WC-11Ni硬质合金微观组织及力学性能的影响

以Cr_(2)O_(3)、WO_(3)、V_(2)O_(5)和炭黑为原料,采用碳热还原法在1500℃下反应2 h制备了(V,Cr,W)C复合粉末。采用XRD和SEM对(V,Cr,W)C复合粉末的相成分和显微组织进行了表征,研究了复合粉末的添加方式及含量对WC-11Ni硬质合金组织及力学性能的影响。结果表明,添加(V,Cr,W)C复合粉末的合金力学性能获得了显著提升,其抗弯强度、维氏硬度以及断裂韧性比未添加复合粉末的试样分别提高了19.97%、19.61%、12.18%。同时,添加(V,Cr,W)C复合粉末的合金性能优于添加(V,Cr)C复合粉末和添加WC+Cr_(3)C_(2)混合粉末的合金试样。另外,随着(V,Cr,W)C复合粉末添加量的增加,合金的抗弯强度、维氏硬度及断裂韧性均呈先增大后减小的变化趋势;当(V,Cr,W)C复合粉末的添加量为0.6%时,合金的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性达到最大值,分别为2835 MPa、1671 MPa、15.1 MPa·m^(1/2)。

WC-10Co4Cr含量对Ni基涂层磨损和腐蚀性能的影响

通过超音速火焰喷涂(AC-HVAF)在稀土镁合金表面制备WC-10Co-4Cr与Ni粉质量比为0∶10、1.5∶8.5、3∶7、4.5∶5.5的WC-Co-Cr-Ni涂层。分析了涂层的组织结构,研究了摩擦载荷、磨损速率对磨损性能的影响及涂层在盐溶液中的抗腐蚀性能。结果表明:4种涂层的组织均匀致密,当加入WC时形成了明显的层状结构。WC的质量分数为15%时涂层内部的缺陷稍有增加。WC含量增加时,涂层内部的缺陷减少,层状结构更明显。WC的质量分数为45%时,耐磨性最佳。WC的质量分数为15%的涂层磨损量较大。涂层在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的微量缺陷影响其耐蚀性。WC质量分数为45%的涂层在腐蚀过程中表面易形成氧化物钝化膜,可提高涂层耐蚀性。

(Ni-Co)-WC复合电极的析氢催化性能

采用 复合电沉 积方法获 得了（ Ｎｉ Ｃｏ） Ｗ Ｃ 复合电极 ，考 察了 复合 电极 在弱 酸性、碱性 和中性介质 中的析 氢电催化 性能，并 在弱酸性 介质中 进行了电 化学稳定 性实验 ． 结果 表明，复 合电极具有优越 的析氢 电催化性 能和良好 的电化 学稳定性 ．

激光-感应复合熔覆Ni基WC复合层的工艺研究

为了提高熔覆效率与消除熔覆层的裂纹,采用激光-感应复合熔覆的方法在A3表面获得了无气孔与裂纹的Ni基WC复合层。研究了不同的加工参量对复合层质量的影响,结果表明,随着激光比能的增加,粉末面密度增加;在相同的激光比能条件下,随着粉末面密度增加,熔覆层的高度增加,稀释率减小;在相同的粉末面密度条件下,随着激光比能的增加,熔覆层的宽度略有增加。此外,相对于单纯的激光熔覆技术,激光-感应复合熔覆的效率约可以提高5倍。在激光-感应复合熔覆过程中,熔覆层与基材间的温度梯度大大降低,这是Ni基WC复合层无裂纹的关键原因。

爆炸喷涂WC-Co/MoS_2-Ni多层复合自润滑涂层的摩擦学行为

采用爆炸喷涂技术研制WC-Co/MoS_2-Ni多层复合自润滑涂层,系统研究涂层的微观结构、元素分布、结合强度和摩擦磨损性能。结果表明:在高温爆炸喷涂过程中,少量MoS_2发生氧化分解,生成SO_2气体,残留在涂层内的SO_2气体可使局部形成微小孔洞。在摩擦测试中,WC-Co涂层在预磨阶段摩擦因数迅速上升,进入稳定阶段后,摩擦因数缓慢增加;而多层复合涂层的摩擦因数在经历预磨阶段迅速上升后,很快进入稳定阶段,直至表层WC-Co涂层被磨穿后,摩擦因数开始逐渐下降。添加自润滑涂层MoS_2-Ni后,WC-Co涂层的内聚结合强度略有下降,但减摩效果显著,摩擦因数下降了约40%,耐磨性能略有提升。