北工大《JMST》：超粗晶硬质合金的高温力学行为！

超粗WC-Co硬质合金的WC晶粒尺寸一般大于5μm，具有良好的硬度和断裂韧性，因此被广泛应用于煤矿开采、凿岩和隧道施工。由于恶劣的工作条件，超粗晶硬质合金必须要承受碰撞带来的循环载荷、强烈的机械疲劳和温度突变的热疲劳，该类材料的使用寿命无疑面对着巨大的挑战。对于超粗晶WC-Co硬质合金，为了延长其使用寿命，特别是在高温环境下，需要进一步提高断裂强度。

超粗晶硬质合金在较高温度下压缩时，WC晶粒中储存的能量会高于Co相，WC相对于硬质合金的塑性变形贡献要大于Co相，因此强化WC晶粒是提高超粗WC-Co硬质合金室温和高温力学性能的有效途径。TaC的加入可使WC骨架形成较硬的(W,Ta)C相，而由于(W,Ta)C相与Co的润湿性较差，使得晶界在高温下更容易滑移。

近日，北工大等单位的研究人员研究发现Ta对硬质合金力学性能的贡献主要取决于TaC或Ta的存在形式和位置。为此，设计实验分析超粗晶硬质合金的晶粒形貌、应力分布和位错形态，研究了TaC对超粗晶硬质合金高温压缩行为的影响。建立了抗压强度、WC连续度和位错形态与温度和TaC加入量的关系。在一系列实验表征和应力计算的基础上，提出了Ta溶入WC强化超粗晶硬质合金的机理，相关论文以题为“High-temperature mechanical behavior of ultra-coarse cemented carbide with grain strengthening”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.06.067

研究发现添加TaC的超粗硬质合金中WC晶粒在WC/Co相界的连续性较低，并具有圆弧边缘的特征形貌。在相同的超粗晶粒尺寸水平下，与未添加TaC的硬质合金相比，添加TaC的硬质合金在高温下的抗压强度明显提高。

图1 WC-8Co ( a )和WC-8Co-0.8TaC (b )试样 800 ℃压缩后的显微组织的应力分布，以及WC骨架代表性位置的应力分布比较( c )

图2 不同温度下压缩试样中WC晶粒平均位错密度和( 0001 ) WC晶面位错密度

图3WC-8Co ( a , b )和WC-8Co-0.8TaC ( c , d )试样经800℃压缩后沿[-12-10]和[0001]方向观察的位错

由于TaC对晶粒形状和接邻性的影响，WC骨架(尤其是三叉晶界、晶界和转角处)的应力集中有所降低。在所有温度下，添加TaC的硬质合金中WC位错密度始终高于未添加TaC的硬质合金，并且0.8TaC试样具有多方向位错网络，具有大量的波形和短位错线，成“波浪滑移”。

图4 试样中WC晶粒( a )、Co相( b )和WC / Co相界( c )位置的3DAP分析

图5 WC位错模式形成示意图：( a )无添加WC晶体中典型的位错滑移；( b )固溶Ta原子WC晶体中的位错滑移；( c , d )当受富Ta团聚阻碍时，WC位错分别在相邻棱柱面和基底面的交叉滑移，导致滑移面上形成波状和短的位错线

原子成分检测Ta分布具有圆弧特征的WC晶粒中。基于WC位错与Ta溶质原子的相互作用以及由此所产生晶格畸变的论证，提出了TaC超粗硬质合金的强化机制，解释了由于WC中Ta固溶引起位错的特定波状滑移。

综上所述，作者研究了超粗晶硬质合金 添加 Ta后的晶粒形貌、应力分布和位错形态，从原子尺度上揭示了Ta在WC晶体中的固溶和与位错的相互作用的超粗晶强化机制。突出硬质合金硬质相的强化，为提高其高温性能开辟了新的视角，将适用于多种金属陶瓷和陶瓷基复合材料。（文：晓太阳）

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