“硬质材料”专栏 | MDPI Coatings：高熵合金粘结剂对掺稀土氧化物WC硬质合金组织和性能影响的研究

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专栏简介

“硬质材料”专栏由 Technologies 编委郭智兴博士主持，专注于难熔金属与硬质材料的材料制备与表征、数控刀具设计制造技术等研究工作。

郭智兴 博士

四川大学

四川省切削刀具智能设计与服务工程技术研究中心副主任，正高职称，博士生导师，四川省学术与技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才,“常春藤”Brown University 国家留学基金委公派访问学者。长期主要从事粉末冶金、涂层、焊接等材料加工技术，难熔金属与硬质材料 (WC 基硬质合金、TiCN 基金属陶瓷) 的材料制备与表征，数控刀具设计制造技术等研究工作。主持国家自然科学基金、四川省重大专项/重点研发项目 (课题) 等20余项；主研国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备”3项，国家自然基金重点项目1项。在国际学术期刊发表 SCI 论文100余篇 (其中中科院一区70余篇)，引用1600余次，H-index 为25；授权发明专利36项，转化4项；获四川省科技进步二等奖1项及市级一等奖1项。

引言

硬质合金是以 WC 等难熔金属碳化物为基，以 Co 等铁族金属元素为粘结剂，采用粉末冶金方法制备的多相材料。硬质合金具有高硬度、耐磨性和较好的强韧性，广泛用于切削刀具、成型模具、地矿工具、耐磨耐蚀零件等。目前，硬质合金材料领域面临着一些新的挑战。一方面，硬质合金发明以来，Co 一直是硬质合金的主要粘结剂。然而，Co 是一种世界性的稀缺战略资源，除了硬质合金领域对 Co 的迫切需求外，新型锂电池能源等许多领域对 Co 的需求也在增加；因此，Co 资源面临的供应压力正在增加。另一方面，各类高参数工况不断出现，对硬质合金材料的强度、硬度、韧性等力学性能的要求更高，传统 WC-Co 碳化合金的性能逐渐无法满足需求。因此，硬质合金新粘结相和高性能化的研究收到学术界和工业界广泛关注。

研究内容

本文利用 AlCoCrFeNi 高熵合金粉末取代 Co 作为硬质合金的粘结剂，用湿化学法掺杂稀有金属氧化物 Y₂O₃/ZrO₂ 作为晶粒生长抑制剂。采用 SPS 烧结法对90% WC-Y₂O₃-ZrO₂ (WC 99.6%, Y₂O₃ 0.25%, ZrO₂ 0.15%) 复合粉末进行烧结，得到硬质合金并对其微观结构和性能进行了表征。

在1200 ℃、1250 ℃ 和1300 ℃ 进行了 SPS 烧结，烧结温度过高会导致 WC 平均晶粒度增大及晶粒异常长大，低的烧结温度也不利于致密化过程，1250 ℃ 时 SPS 获得的 WC 晶粒度最小，合金的致密度、硬度和韧性都是最佳，这也表明了 AlCoCrFeNi 高熵合金粘结相与 WC 之间润湿性良好。

图1. 不同烧结温度制备的硬质合金的 SEM 图像和晶粒尺寸分布：(a、d) 1200 ℃、(b、e) 1250 ℃ 和 (c、f) 1300 ℃。

高熵合金具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应，这些效应对硬质合金的组织性能有直接影响。采用 HAADF-STEM 对硬质合金的微观组织进行了表征 (如图2)，粘结相中的 W 含量很低，而硬质相中也几乎没有高熵合金元素，这与高熵合金的迟滞扩散效应有关；Cr 对 WC 基体的亲和力较低，分布于粘结相区域中部，与 WC 基体亲和力较好的 Fe、Co 和 Ni 更多地分布于 WC 界面附近；稀有金属元素 Y、Zr 在 WC 界面富集，以氧化物的形式作为第二相存在于合金中，起到钉扎和弥散强化作用。

图2. WC-Y₂O₃-ZrO₂-10AlCoCrFeNi 硬质合金的 TEM 图像。(a) HAADF-STEM 图像；(b) 线扫描；(c) 高分辨率图像；(d) WC 晶粒电子衍射花样；(e) 粘结相靠近 WC 晶粒部分的衍射点花样。

研究总结

本文研究结果表明，由于迟滞扩散效应，WC 颗粒的溶解和沉淀生长过程受限，WC 晶粒生长得到抑制；稀有金属氧化物 (Y₂O₃/ZrO₂) 的钉扎效应和弥散强化也能有效减小硬质合金晶粒度并强化粘结相。当 SPS 烧结温度为1250 ℃ 时，WC-Y₂O₃-ZrO₂-10AlCoCrFeNi 碳化物的性能最好，维氏硬度为1888.14 HV，断裂韧性为14.76 MPa. m^1/2。

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阅读英文原文

原文出自 Coatings 期刊

Qin, Y.; Yuan, J.; Zhuang, Y.; Ma, B.; Luo, L.; Wu, Y. Study on Effect of High-Entropy Alloy Binder on Microstructure and Properties of WC Cemented Carbide Doped with Rare Earth Oxide. Coatings 2023, 13, 273. 

  Coatings 期刊介绍

主编：Alessandro Lavacchi, Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici (ICCOM-CNR), Italy;

Wei Pan, Tsinghua University, China

期刊专注于发表涂层、表面、界面及薄-厚膜领域的研究成果，刊载研究论文、综述及短讯，鼓励学者发表详细的实验和理论结果。

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版权声明：

*本文由Technologies 期刊编委郭智兴博士翻译撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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