碳缺位型无粘结相碳化钨铝的制备、性能及机理的研究

Binderless (W1-xAlx)Cy has good hardness, well wear resistance and corrosion resistance, low density and so on. Replacing of W by Al can not only save the W resources efficiently, but also reduce the cost. So it has a broad application prospect in the areas of machinery, aviation, military, metallurgy and oil drilling. Thus, it has become one of the study hotspots in the field of hard materials. But it is difficult to obtain by conventional sintering methods due to its high melting temperature. This project aims to prepare binderless (W1-xAlx)Cy with carbon vacancy by high-energy ball-milling and reactive hot-pressing (RHP) from W1-xAlx and carbon. The fabrication technology of high active mixture powder of W1-xAlx and carbon should be established. And the RHP sintering technology of binderless (W1-xAlx)Cy with carbon vacancy should also be build. The influences of the concentration of aluminum, carbon vacancy and grain refinement on the mechanical properties will be investigated, and the control method should also be founded. The reactive sintering mechanism and reinforced mechanism will be studied, which may be useful for its research and application.

无粘结相碳化钨铝是一种新型硬质材料，具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀性强、密度低等优点。并且铝替代钨不但能有效地节约钨资源，更会降低材料的成本。因此其在机械加工、航空航天、军工、冶金钻井等领域拥有广泛的应用前景，已成为硬质材料领域的研究热点。但因其熔点高，常规方法很难获得高性能无粘结相碳化钨铝材料。本项目拟采用钨铝合金和碳粉为原料，利用高能球磨和反应热压烧结制备出碳缺位型无粘结相碳化钨铝材料；建立并完善高活性粉体的制备技术、无粘结相碳化钨铝的反应烧结技术；分析铝含量、碳缺位量及晶粒细化与材料力学性能的关系，建立相应的调控机制，优化材料设计；研究其反应烧结机理和力学性能增强机理，为其学术研究和技术应用奠定基础。

碳化钨铝是一种新型硬质材料，可广泛应用于精密加工工具和模具制造等领域。本研究在自然科学基金的支持下，进行无粘结相碳化钨铝材料的制备、性能及机理的研究，主要取得成果如下：（1）通过高能球磨技术实现了钨铝合金和碳的混合粉的组成、粒度和形貌的调控，制备出纳米级混合粉体。（2）分析了碳化钨铝的反应热压烧结过程。低于某一临界温度时，即使延长时间也很难实现致密烧结。提高烧结温度有利于快速烧结，抑制晶粒长大过程。但温度过高也会导致晶粒加速长大，且晶粒形貌从球形趋向于三棱柱状。W1-xAlx的碳化反应是一个较为复杂的化学过程。反应初期可以观察到中间产物(W1-xAlx)2Cy生成，继续碳化最终合成W1-xAlxCy。精准调控混合粉体粒度、烧结温度和时间能够获得具有纳米结构致密的碳化钨铝硬质材料。（3）铝含量的增加会导致防锻剂和球磨时间的增加，粉体颗粒更趋于球形。含铝高的钨铝合金的碳化温度较低，合成的碳化钨铝晶粒相貌更趋于圆形。烧结样品的硬度和断裂韧性随铝含量的增加，呈现先增后减趋势（当x=0.5时达到最高）；弯曲强度随铝含量的增加呈现微小增高趋势。（4）通过增加碳含量可减少防锻剂用量，缩短反应时间，晶粒更加细化。材料的硬度随碳缺位量的增加而先增后降，碳缺位量达到35%时，硬度达到最高值。（5）材料硬度的主要影响因素是分子结构和显微结构。通过调控碳缺位量，改变碳化钨铝的分子结构，可显著提高材料硬度。而纳米晶强化能够显著提高材料综合力学性。综合调控碳缺位和晶粒尺寸，可获得具有高硬度、高强度和高韧性的无粘结相碳化钨铝材料。