【摘 要】
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WC-Ni硬质合金具有优异的耐腐蚀性、抗高温氧化等性能,但其力学性能不及WC-Co硬质合金,限制了WC-Ni硬质合金的工业应用。本研究首先采用“高能球磨+碳热还热氮化”法制备了(Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N)高熵陶瓷相粉末,然后将该粉末微量添加到WC-Ni硬质合金中提升合金的综合力学性能,通过SEM、XRD等方法表征了(Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N)粉末的相转变规律和特性,重点
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WC-Ni硬质合金具有优异的耐腐蚀性、抗高温氧化等性能,但其力学性能不及WC-Co硬质合金,限制了WC-Ni硬质合金的工业应用。本研究首先采用“高能球磨+碳热还热氮化”法制备了(Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N)高熵陶瓷相粉末,然后将该粉末微量添加到WC-Ni硬质合金中提升合金的综合力学性能,通过SEM、XRD等方法表征了(Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N)粉末的相转变规律和特性,重点研究了烧结温度、高熵粉末添加量和保温时间对WC-Ni硬质合金微观形貌和力学性能的影响,并探讨了WC-Ni硬质合金的耐Na OH腐蚀性能。高熵陶瓷相粉末的制备研究表明:以Ti O2、Ta2O5、Nb2O5、Zr O2、Hf O2和炭黑为原料,采用“高能球磨+碳热还原氮化”法,在1400℃还原氮化2h制备了粒径约为100-300nm,具有单一相成分的(Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N)高熵陶瓷相粉末。在粉末的制备过程中,合成温度是控制还原反应进程的关键因素。当合成温度在800-1000℃时,主要发生碳热还原反应;当合成温度为1100-1400℃时,氧化物被彻底还原并发生碳氮化合物固溶反应。在相转变过程中,氧化物的优先还原序列为:Ta2O5>Ti O2>Nb2O5>Zr O2>Hf O2。WC-11Ni-x(Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N)硬质合金的制备研究表明:以WC粉、Ni粉为原料,微量添加(Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N)高熵粉末,在1450℃真空烧结1.5h制备了高性能WC-11Ni硬质合金。当高熵粉末添加量为0.6 wt.%时,合金的综合力学性能最佳,其抗弯强度、维氏硬度、断裂韧性分别为1753MPa、1633MPa、11.41 MPa·m1/2,与未添加高熵粉末的WC-11Ni硬质合金相比,合金的抗弯强度、硬度、断裂韧性分别提升了22.16%、22.87%、10.45%。高熵粉末对WC-11Ni硬质合金的强韧化机理主要表现在三个方面:(1)有效调控WC晶粒在液相中的溶解-析出速率,抑制WC晶粒的异常长大;(2)高熵金属元素固溶进入粘结相Ni中形成固溶体,对粘结相进行了固溶强化;(3)高熵粉末的添加促进了合金致密化,并改善合金中的“镍池”现象。WC-11Ni-x(Hf,Ta,Nb,Zr,Ti)(C,N)硬质合金的耐Na OH腐蚀性能研究表明:添加高熵粉末能明显提高硬质合金的耐腐蚀性能,在Na OH溶液中的腐蚀主要发生在WC硬质相晶粒区域;当高熵粉末添加量为0.2 wt.%时,合金的耐腐蚀性能最佳,其腐蚀电位、腐蚀电流密度和阻抗分别为-0.5988V、0.0581μA/cm~2、7.979×10~5Ω·cm~2,与未添加的WC-Ni硬质合金相比,腐蚀电位和阻抗分别提高了12.95%和352.07%,腐蚀电流密度降低了57.47%;但过多添加高熵粉末,反而会降低合金的耐腐蚀性能。随着Na OH溶液浓度的提高,硬质合金的腐蚀电位和阻抗逐渐减小,腐蚀电流密度逐渐增大,导致其耐腐蚀性能降低。
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