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A Review on Binderless Tungsten Carbide: Development and Application
Nano-Micro Lett.(2020)12:13 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0346-1 无粘结相WC材料的致密化是随着烧结新技术和烧结热力学、动力学等的进步而不断发展的,本文综合多种烧结有利因素,包括配碳量、纳米化与纳米复合、陶瓷“粘结相”及先进烧结技术,进行了高致密无粘结相WC材料的致密化研究。 减小WC颗粒尺度,可显著降低材料致密化初始温度,进而提升WC致密度(图1a-e)。此外,相对单一尺度颗粒素坯,多尺度颗粒素坯具有较高的坯相对密度,且可显著促进WC材料致密化过程,例如图1f,纳米尺度ZrC有效填充由于亚微米WC颗粒重排及塑性变形形成的孔隙,从而促进材料致密化。 陶瓷“粘结相”是一种新型非金属粘结相,是将特定陶瓷相(Al2O3, MgO, ZrO2, La2O3, Y2O3, TiC, VC等)替代传统WC-Co中粘结相Co用于WC材料的制备。相比金属粘结相,陶瓷“粘结相”更为经济,并且具有更高的化学稳定性、硬度、耐腐蚀性、抗氧化性及高温性质。陶瓷“粘结相”选择的基本目标是实现无粘结相WC材料的强化烧结:1)固溶活化烧结(缺陷强化烧结),烧结助剂与WC基体形成固溶体,活化晶格,增加缺陷(格位取代、位错等)浓度,促进WC材料致密化;2)液相强化烧结,烧结助剂具有相对基体WC低的熔点,烧结过程中产生少量能够润湿晶界的液相,降低烧结体的晶界能,加快晶界迁移和传质速率,促进WC材料致密化。例如,图2a及b,以TiC作为碳化物陶瓷“粘结相”,烧结过程中形成(Ti, W)C固溶体,实现晶格活化,促进了无粘结相WC材料致密化并降低了烧结温度。图2c-e,以Al2O3作为氧化物陶瓷“粘结相”,烧结过程中产生液相Al2O3,通过促进颗粒重排和液相填充后的溶解-析出提高了无粘结相WC材料的致密度。 II 无粘结相WC强韧化研究 自从无粘结相WC材料诞生以来,“强韧化”始终是其研究的一个核心问题,从本质上可分为本征强韧化和外部强韧化,经历了以下传统强韧化和新型强韧化两个主要研究阶段。 传统的无粘结相WC材料强韧化方法主要包括:颗粒弥散强韧化、相变强韧化、晶须或纤维强韧化及协同强韧化等。颗粒弥散强韧化是指通过掺杂Al2O3, MgO, Y2O3, TiC, TaC, SiC及ZrC等第二相颗粒的均匀分布,使得裂纹被阻断或扩展方向发生改变,是其他强韧化方法的基础。相变强韧化是指以ZrO2颗粒作为强韧化相,利用应力诱导马氏体相变起到强韧化作用。晶须或纤维强韧化是指将高模量、高强度的晶须(SiCw、Si3C4w及Al2O3w等)或者纤维与WC基体复合,通过晶须或纤维的拔出与桥联以及裂纹偏转与钝化等实现强韧化。 2.2 新概念无粘结相WC材料强韧化方法 新概念无粘结相WC材料强韧化方法主要包括:纳米复合强韧化、原位强韧化、梯度结构强韧化及碳纳米管或石墨烯强韧化等。纳米复合强韧化是指将纳米尺度第二相与WC基体复合而引入的强韧化(例图3)。原位强韧化是指通过设计调控制备工艺,在烧结过程中形成具有一定长径比的基体相WC或者掺杂第二相,实现强韧化。梯度结构强韧化是指通过合理设计梯度结构,在材料表层引入残余压应力,实现强韧化。碳纳米管或石墨烯强韧化是将碳纳米管或石墨烯加入到无粘结相WC材料中以提高其强度和韧性。 图3 纳米Al2O3与TiC强韧化无粘结相WC材料。 III 无粘结相WC机械性能研究 图4 无粘结相WC力学性能影响因素。 皇志富 本文通讯作者 西安交通大学 ▍个人主页 ▍Email: hzf@xjtu.edu.cn 孙加林 本文第一作者兼通讯作者 西安交通大学 ▍个人主页 ▍Email: jialinsun@xjtu.edu.cn 撰稿:原文作者 编辑:《纳微快报》编辑部 E-mail:editorial_office@nmletters.org
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