新型碳化钨铝硬质材料的制备及其微观结构的调控研究

Preparation of powders: A novel nanostructured (W-Al)C hard material with homogeneous particle size distribution prepared by mechanical alloying and high-temperature solid state reaction. Preparation of bulk materials:（1）Preparation of high performance (W-Al)C bulk materials by using selective sintering additives.(2)Bulk (W-Al)C hard materials with controlled non-equilibrium grain shapes (plate particles, rounded particles, fibrous particles) by in-situ sintering technology; Investigate the formation mechanism of non-equilibrium (W-Al)C grains growth during sintering.(3)Preparation of functionally graded (W-Al)C materials with different Al content and carbon vacancy; Investigate the atom migration and diffusion between differen layers during sintering process.（4）Bulk (W-Al)C hard material with nano-scaled microstructure prepared by using nano-scaled (W-Al)C powders and selective grain growth inhibitors; Investigate the mechanism of grain growth during sintering process. Sintering theory: Build new sintering model and new sintering theory via studying the grain growth mechanism and atom migration-diffusion mechanism during sintering process.

粉末制备：利用机械合金化非平衡态合成技术和高温固相反应，制备新颖的、粒度分布均匀的、纳米级别的碳化钨铝粉末。块体材料制备：(1)通过选择合适的烧结助剂制备高性能的碳化钨铝块体块体材料。(2)利用原位合成的方法，制备具有板状结构、球形结构和纤维状结构的非平衡态碳化钨铝硬质合金，深入研究碳化钨铝晶粒在烧结过程中的长大机制。(3)制备具有不同碳缺位和不同铝含量的碳化钨铝梯度材料，设计兼具高硬度、高强度和高韧性的碳化钨铝梯度材料，并深入研究烧结过程中不同界面间的原子迁移和扩散机理。(4)从纳米碳化钨铝粉末出发，通过选择合适的颗粒长大抑制剂，制备具有纳米结构的碳化钨铝块体材料，并研究其在烧结过程中抑制颗粒长大的机理。烧结理论：通过研究烧结过程中颗粒长大机制和原子扩散、迁移机制，归纳新的适应碳化钨铝的烧结经验，结合已有的烧结理论，建立新的烧结模型，完善烧结理论。

硬质合金因其高硬度和高耐磨性等性能，是机械加工领域不可替代的材料。本研究在在自然科学基金的支持下，以制备高性能硬质合金材料为研究目标，主要取得成果如下：（1）采用机械合金化与固固反应球磨的方法，成功制备了粒度分布均匀、纳米级的碳化钨铝粉末，铝固溶完全，粉末尺寸在100nm以下，利用热压烧结的方法，成功制备了300nm以下的碳化钨铝硬质合金烧结体。（2）设计制备了碳化物复合材料，该材料的微观硬度≥2800Hv，已达到超硬材料的硬度,接近立方氮化硼cBN（3）利用原位烧结合成的方法，成功实现对硬质合金烧结过程的形貌可控，制备了具有板状结构、球形结构和纤维状结构的非平衡态碳化钨铝硬质合金，阐明碳化钨晶粒在烧结过程中的长大机制，并通过组份设计，制备具有不同碳缺位和不同铝含量的碳化钨铝梯度材料，提高材料耐磨性和使用寿命。（4）深入研究了碳化钨基硬质合金在切削过程中的摩擦磨损机理，并在此基础上，设计制备了系列自润滑硬质合金复合材料，该材料的摩擦系数在0.3左右，远低于碳化钨材料（0.7左右）。自润滑硬质合金复合材料的成功制备，拓展了硬质合金的应用领域，有望在干切削环境、高速加工等特殊领域得到广泛应用，并可减少切削液的使用，降低了加工成本。（5）通过研究烧结过程中不同界面间的原子迁移和扩散机理，归纳了新的适应碳化钨铝的烧结经验。. 通过上述研究，成功制备了一种高性能铝掺杂硬质合金材料，并首次设计制备具有自润滑性能的硬质合金功能材料，拓展了硬质合金的应用领域。