超细/纳米晶WC基硬质合金制备技术研究发展现状

超细/纳米晶WC基硬质合金具有超高强度、硬度和韧性等优点,在汽车、航空航天、国防军工等领域有着重要应用。然而,超细/纳米级WC粉末粒度小、活性大,控制超细/纳米级WC粉末在烧结过程中的快速长大粗化成为一个巨大的挑战。为了获得超细/纳米晶WC基硬质合金,从原料粉末制备、新型烧结技术开发、晶粒长大抑制剂添加和新型硬质合金设计等方面综述最新的研究进展,分析优化的制粉和烧结工艺获得的WC粉末的粒度以及烧结后合金的力学性能,并对比各种晶粒生长抑制剂对WC基硬质合金微观结构和性能的影响,比较新型的烧结方法,如低压热等静压烧结(Sinter-HIP)、放电等离子体烧结(SPS)和微波烧结(MS)对WC基硬质合金微观结构和性能的影响,阐述典型的新型纳米级硬质合金的微观结构和性能,包括无黏结剂硬质合金和高熵黏结相的硬质合金,并展望超细/纳米晶WC基硬质合金的发展前景和研究重点,以期为现代超细/纳米晶硬质合金材料及技术的发展提供新的途径。

WC基硬质合金涂层硬度偏差来源分析

采用超音速火焰喷涂(HVOF)法在17-4PH马氏体基体上制备WC-12Ni涂层并使用数字显微硬度计对涂层与基体合金的显微维氏硬度进行测定。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对涂层组织结构进行表征。对获得硬度分别用5点、10点、15点、20点、25点、30点、40点、50点数据计算平均硬度并采用相对偏差、极差、平均偏差和相对标准偏差进行偏差分析。通过涂层与基体的硬度与偏差对比,获得偏差与硬度压痕测试个数的关系,最后结合涂层不均匀结构因素,总结涂层维氏硬度的测试偏差来源。

中熵碳化物陶瓷TiC_(0.4)/VC/NbC结合的WC基硬质合金合成与性能

采用放电等离子烧结(SPS)方法制备了中熵碳化物陶瓷TiC_(0.4)/VC/NbC结合的WC基硬质合金(WC/TiC_(0.4)/VC/NbC),研究了烧结温度和WC含量对其微观结构和力学性能的影响。结果表明:添加TiC_(0.4)显著降低了烧结温度,添加NbC、VC增加了WC基硬质合金的致密度,提高了硬度。TiC_(0.4)、NbC、VC和WC四种过渡族金属碳化物以等摩尔比进行混合烧结,在烧结温度为1500℃时,形成了单相面心立方结构(FCC)的固溶体,其性能最好,维氏硬度为23.4 GPa,断裂韧性为6.3 MPa·m^(1/2)。在WC摩尔分数为60%时,过量的WC弥散分布在晶界处,具有一定的增韧作用;在烧结温度为1700℃时,非等摩尔比复合烧结体的维氏硬度为22.6 GPa,断裂韧性为8.8 MPa·m^(1/2),其中部分WC与TiC_(0.4)、VC、NbC相互固溶形成高熵化合物,也提高了断裂韧性。

以多组元黏结相制备WC基硬质合金的研究进展

利用多组元合金替代Co作黏结相可以提高硬质合金综合性能。本文从黏结相成分、合金组织与性能等方面较系统的综述了近年来利用多组元合金作黏结相制备WC基硬质合金的研究进展。分析了多组元合金替代后黏结相的相变行为,以及WC/多组元合金界面对硬质合金力学性能的影响,提出其影响机理为位错滑移条件的改变。

Ni_3Al含量对WC基钢结硬质合金组织与性能的影响

为了改善WC基钢结硬质合金性能,以热力学计算为基础,探索Ni_3Al添加量对WC-Fe(Cr,Mo)钢结硬质合金组织与性能的影响。采用粉末冶金方法,以添加Ni_3Al预合金粉的方式添加Al,通过液相烧结制得不同Ni_3Al含量(0,0.5%,1.0%,1.4%,质量分数)的WC-50%(Fe-Ni-Al-Cr-Mo)合金样品。采用差示扫描量热分析(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和金相显微镜分别对合金的液相温度点、相组成和显微组织进行了检测分析,并讨论了合金物理力学性能和磁性能的变化规律。结果表明:粘结相主要由γ-α+β′三相构成,且随着Ni_3Al含量的增加,Ni元素可以稳定奥氏体,粘结相中γ-Fe含量增加,1250℃时,Fe-Ni-Al粘结相从液相中析出γ-Fe相的形核驱动力增大,使得粘结相的晶粒细化,粘结相中析出的Ni Al相增多;合金硬质相主要为WC和Fe_3W_3C,WC沿晶界偏聚;γ-Fe含量增多,固溶了更多C元素,使Fe_3W_3C的含量随Ni_3Al含量增加而减少;WC晶粒细化,分布更为弥散。在上述因素共同影响下,合金密度略有降低,粘结相的磁饱和强度下降,矫顽磁力上升;硬度上升,抗弯强度先下降后上升,并在添加Ni_3Al含量为1.4%时,硬度和抗弯强度达到最大值。

Ni+WC基粉末激光熔覆对柱塞组织和硬度的影响

采用Ni+WC基粉末激光熔覆对严重磨损的高压水除鳞机用柱塞表面进行修复,利用光学显微分析和扫描电子显微分析方法,对熔敷层、结合层和基体进行显微组织观察及能谱分析,并测定了不同区域的显微硬度。结果表明:国外试样的基体是铁素体和奥氏体组成的双相钢,过渡层为Ni25、熔覆层为Ni60+WC的试样,熔覆层的组织分布均匀,熔覆层有大量的WC质点分布,显微硬度值较高,峰值硬度为1000HV。

无粘结相WC基硬质合金研究进展

无粘结相WC基硬质合金具有传统硬质合金无可比拟的优异耐磨性、抗腐蚀性,极佳的抛光性和抗氧化性,是集陶瓷的硬度和硬质合金的韧性于一身的结合体。但无粘结相WC基硬质合金对碳含量比传统的WC-Co硬质合金更为敏感,同时面临脆性及难于致密化等问题。文章对无粘结相WC基硬质合金国内外近几年取得的一些研究成果进行了综述。

短切碳纤维含量对WC基复合陶瓷刀具材料微观组织及力学性能的影响

以Ni为粘结相,短切碳纤维(C_(sf))为增强相,采用真空热压烧结技术,在1600℃下制备了含不同C_(sf)量的WC基复合陶瓷刀具材料。研究了C_(sf)的含量对WC基复合陶瓷刀具材料微观组织和力学性能的影响。结果表明:加入C_(sf)后,WC基复合陶瓷刀具材料晶粒明显细化,并随着C_(sf)的增多,WC基复合陶瓷刀具材料的硬度下降,抗弯强度和断裂韧度增大;当C_(sf)含量为0.8wt%时,力学性能良好,此时的抗弯强度为(921.32±24.20)MPa,断裂韧度为(13.01±0.26)MPa·m^(1/2),硬度为(16.92±0.23)GPa。

WC基涂层材料和制备工艺对其组织结构与性能的影响

本文采用超音速火焰(HVOF)喷涂工艺制备了二种微米结构WC-10Co-4Cr及一种纳米结构WC-12Co金属陶瓷复合涂层;采用SEM、XRD等分析了涂层的组织结构;测量了涂层的显微硬度、孔隙率及开裂韧性;采用超声振动空蚀装置研究了涂层的抗空蚀性能,探讨了涂层空蚀机理。结果表明:由燃油型HVOF工艺制备的纳米WC-12Co涂层孔隙率最低,组织最细小,开裂韧性明显高于燃油型和燃气型HVOF工艺制备的微米WC-10Co-4Cr涂层;燃油型HVOF工艺制备的微米结构WC-10Co-4Cr涂层显示了最优异的抗空蚀性能,空蚀率仅为纳米WC-12Co涂层的1/3左右。

WC基硬质合金刀具材料研究进展

WC基硬质合金是目前使用的主要刀具材料之一。在对WC基硬质合金刀具进行简单概述的基础上,介绍了WC基硬质合金刀具材料种类及发展现状,重点阐述了WC基硬质合金刀具材料黏结相的研究进展,为新型WC基硬质合金刀具材料的研发和制备提供参考。

WC基体育器械用复合材料的制备及磨损性能研究

研究了烧结温度和SiC晶须含量对WC基体育器械用复合材料的显微形貌、抗弯强度、断裂韧性、硬度和摩擦磨损性能的影响,并分析了其作用机理。结果表明,当SiC晶须含量分别为0.4%和0.6%时,WC基复合材料的抗弯强度和断裂韧性都随着烧结温度的提高而呈现先增加而后降低的趋势,在烧结温度为1 400℃时取得最大值;随着SiC晶须含量的增加,SiC晶须改性WC基复合材料的硬度呈现先增加而后降低的趋势,在SiC晶须含量为0.4%时取得硬度最大值;随着载荷的增加,不同SiC晶须含量的WC基复合材料的摩擦系数整体呈现逐渐降低的趋势;在相同的载荷条件下,SiC晶须含量为0.4%时WC基复合材料的摩擦系数最小。

超音速火焰喷涂WC基金属陶瓷涂层的长期腐蚀行为

采用超音速火焰喷涂技术在Q235钢基体上制备了WC-Ni和WC-Cr_(3)C_(2)-Ni两种涂层。利用X射线衍射仪、金相显微镜等分析了涂层的相组成和组织结构;通过电化学工作站、全浸泡试验等研究涂层在3.5 wt%NaCl溶液中的耐腐蚀性。结果表明:两种涂层结构均匀致密,WC-Ni和WC-Cr_(3)C_(2)-Ni涂层的孔隙率分别为1.71%和1.15%。在3.5wt%NaCl溶液中,两种涂层均产生钝化现象,涂层表面的钝化膜提高了其耐腐蚀能力。在3.5wt%NaCl溶液中的长期浸泡腐蚀过程中,WC-Cr_(3)C_(2)-Ni涂层的失重少于WC-Ni涂层,其耐腐蚀性能更好。浸泡28 d后,WC-Ni涂层表面结构较疏松,孔洞较小但比较密集;WC-Cr_(3)C_(2)-Ni涂层表面较平整,孔洞较大但分布稀疏。疏松的结构、较高的孔隙率会导致侵蚀性离子渗入到涂层的孔隙和晶界中,从而降低涂层的耐腐蚀性。

基于混料设计的WC基复合胎体性能研究

采用混料设计方法,研究了WC、YG8、663-Cu含量变化对WC基复合胎体抗弯强度的影响规律。3种成分含量变化对抗弯强度有显著性影响,呈线性模型关系,得出了相应的回归方程。三者之间的影响大小是YG8>WC>663-Cu;3种成分含量变化对强度损失率影响很小,通过调整三者的成分比例,无法有效地提高胎体对金刚石的把持力。

相同骨架相含量下W基和WC基金属结合剂烧结性能对比分析

设计W基和WC基金属结合剂配方体系并进行相同工艺条件下的烧结实验,对两种结合剂的烧结性能进行了对比分析,对烧结体微观结构进行了表征,并对结合剂基质材料对金刚石的包镶情况进行了讨论。结果表明:相同烧结工艺时WC基金属结合剂的烧结性能相对较好,力学指标略高于W基金属结合剂,但W基金属结合剂对金刚石的包镶能力更好,表现为强度损失率更低。SEM电镜表明,由于烧结温度的影响,W基金属结合剂的烧结质量相对较差,烧结体内空隙较多。另外,烧结体内基质材料对金刚石的把持以机械包镶为主,但由于W是一种强碳化物形成元素,因此该结合剂烧结体内金属基质材料在金刚石颗粒表面有一定的粘覆,从而提高了把持力。

石油天然气工业用不同类型WC基陶瓷涂层性能之比较

WC基热喷涂涂层被广泛应用于各种工业领域以改善组件的机械强度及增强基材的耐磨损耐腐蚀性能。超音速火焰喷涂方法制备的涂层具有涂层密度高、结合强度高等特点,而且在喷涂过程中粒子速度高,粒子的沉积温度相对较低,因而具有较低的"脱碳"现象,被人们视为优异的涂层制备技术。通过与不同化学元素合金化的方法制备了多种类型的碳化钨金属陶瓷,以提高其在超音速火焰喷涂方法制备下的耐腐蚀和耐冲刷腐蚀性能,从而满足各种工业应用需求,如石油和天然气工业。本文通过对石油和天然气工业使用环境条件下的模拟,对三种类型的碳化钨硬质合金涂层的电偶序和耐冲刷腐蚀性以及三种不同的密封技术进行了比较。以期获得在特定应用条件下选择最优涂层的相关知识。

WC含量对WC增强镍基复合涂层界面组织的影响

WC(碳化钨)增强镍基复合涂层具有高耐磨、耐腐蚀、高硬度特点,在盾构部件、旋耕刀具、石油钻探等领域广泛应用.为提高水力机械过流部件服役寿命,以WC颗粒和镍基粉状钎料为涂层材料,采用真空炉中热辐射钎涂方法在奥氏体不锈钢表面成功制备WC增强镍基复合钎涂层,借助扫描电镜、X射线衍射仪等对钎涂层显微组织和界面行为进行系统分析.结果表明,硬质相WC与镍基钎料界面结合存在机械咬合与冶金结合双重作用;钎涂层与钢基体之间存在一定程度的成分扩散,其较狭窄扩散区宽度约100μm;当WC含量低于25%时,复合钎涂层对不锈钢基体润湿性较好,可制备出最低孔隙率1.08%的复合钎涂层.

不同预热温度WC增强镍基合金堆焊层的微结构演化与摩擦学性能

目的研究不同预热温度(200、400℃)条件下硬质颗粒增强镍基合金堆焊层的微观组织结构演化机理,以及对其力学性能、磨损性能的影响规律。方法采用等离子弧焊接技术在42CrMo钢基体表面堆焊硬质WC颗粒增强镍基强化层,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、硬度计和摩擦磨损试验机,分析不同预热温度堆焊层的物相组成、微观组织形貌、力学性能和磨损性能,建立堆焊层制备工艺–微观组织结构–力学性能–磨损性能之间的强映射关系。结果堆焊层主要由γ-Ni/Fe、WC、W_(2)C、M_(7)C_(3)、M_(23)C_(6)、Ni_(2)W_(4)C、Cr_(3)C_(2)等物相组成,在预热温度200℃下堆焊层二次碳化物析出较少,发生了严重的WC颗粒沉降现象;在预热温度400℃下,堆焊层析出了大量的二次碳化物,WC颗粒沉降减弱,组织均匀性提高。在400℃下预热,相较于200℃下预热,堆焊层的磨损质量减少了51.85%,磨损率减少了51.89%。结论高预热温度和长保温时间可促进WC颗粒界面反应,驱动大面积二次碳化物的析出,有效缓解WC颗粒沉降,改善凝固组织中WC颗粒的分布均匀性,从而显著提高堆焊层的硬度和耐磨性。

超音速喷涂复合WC基金属陶瓷涂层的性能

采用超音速火焰喷涂技术和等离子喷涂技术在活塞杆用316L不锈钢基体上制备了WC-12Co(WC)/NiCr双重涂层,并制备传统等离子喷涂Al_(2)O_(3)-13TiO_(2)(AT13)涂层作为对照。通过扫描电镜、X射线衍射仪、显微维氏硬度计、摩擦磨损试验机、电化学工作站等设备对涂层的性能进行了研究和对比。结果表明,各涂层界面界限清晰,结合性良好,WC涂层的显微硬度为1363 HV0.3,是AT13涂层的1.8倍。在60 min往复摩擦磨损试验条件下,AT13涂层的体积磨损率为WC涂层的4.42倍,WC涂层磨损机制主要表现为磨粒磨损。在3.5%NaCl溶液中,WC涂层和AT13涂层的自腐蚀电位均低于316L不锈钢基体,避免了电偶效应对基体的优先腐蚀,并且AT13涂层的自腐蚀电流密度最大,其次是316L不锈钢基体,WC涂层的自腐蚀电流密度最小,仅为基体的0.57倍。

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。