高性能WC-增韧Ni3Al硬质合金的强外场耦合烧结机理及制备技术研究

本项目以现代工业中极为重要的刀具材料- - WC硬质合金为研究材料对象，以探索增韧Ni3Al为粘结相的高硬、高强、耐高温、较低成本WC硬质合金的强外场耦合制备技术为研究主线，以强电场、强磁场、应力场、温度场等外加物理场耦合作用下的粉末烧结机理为核心研究内容。重点揭示强电场、强磁场、应力场、温度场等多个外场在粉末烧结过程中的耦合和作用机理，以及上述外加物理场与传统粉末烧结时固有的内场的耦合作用机理。进而明晰烧结时粉体中的传质、粉末快速致密以及晶粒生长等机制，明确强电场、强磁场、应力场、温度场等外场耦合烧结参数对WC-Ni3Al硬质合金组织与性能的影响规律，优化制备工艺，为高性能和较低成本硬质合金的制备提供理论依据。本项目的实施不仅有利于揭示多个外加强物理场耦合作用下的粉末烧结机理，还可为高性能WC等硬质合金材料和零件的制备探索新的途径。

本项目以现代工业中极为重要的刀具材料——WC硬质合金为研究材料对象，以探索增韧Ni3Al为粘结相的高硬、高强、耐高温、较低成本WC硬质合金的强外场耦合制备技术为研究主线，以电磁场、应力场、温度场等多个外加物理场耦合作用下的粉末烧结机理为核心研究内容。运用EET电子理论，研究了合金元素（B、Fe、Cr、Zr等）对Ni3Al金属间化合物价电子结构的影响，优化设计了作为WC粘结相的增韧Ni3Al的组成成分；采用分步高能球磨技术制备出了WC为纳米晶且Ni3Al分布均匀的WC-xNi3Al复合粉末；研究了烧结温度、烧结压力、保温时间及升温速率等烧结工艺参数对WC-增韧Ni3Al的组织和力学性能影响规律，在烧结压力的作用下经1350~1380℃烧结，形成了组织较为均匀和板状WC晶粒取向特征较为明显的高致密材料，WC与增韧Ni3Al间具有良好的界面结合，进而优化了烧结工艺参数以及WC材料中增韧Ni3Al的含量，获得了具优异综合性能的含10wt%增韧Ni3Al的WC材料，当烧结温度、烧结压力、升温速率和保温时间分别为1380℃、50MPa、200℃/min、10min时，WC材料的密度、横向断裂强度、洛氏硬度、和800℃抗压强度分别达到了13.65g/mm3、2264.8MPa、90.5HRA和2157MPa，且断裂韧性较高；经氧化（恒温、循环）、腐蚀（在H2SO4、HNO3溶液中）、切削磨损等对比实验研究，证实WC-10wt%Ni3Al均较WC-10wt%Co呈现出明显更为优越的性能优势；同时揭示了多个外场在粉末烧结过程中的耦合和作用机理，明晰了烧结时粉体中的传质、粉末快速致密以及晶粒生长等机制；此外，还尝试性地拓展研究了采用Al2O3、ZrO2等陶瓷相增韧WC材料，探讨了其烧结机理。本项目的开展促进了多个外加物理场耦合作用下的粉末烧结机理揭示，同进也为高性能WC等硬质合金材料和零件的制备探索了新的途径。