碳化鎢和碳化鈦等過(guò)渡金屬碳化物是硬質(zhì)合金的主要合成原料,被廣泛應(yīng)用于金屬切削刀具、礦山及地質(zhì)鉆頭、耐磨零件等領(lǐng)域;碳化鈮和碳化鉭等則可用作硬質(zhì)合金添加劑以提高合金的高溫強(qiáng)度和耐磨性。
新一代地質(zhì)礦山工具等對(duì)碳化物硬度和斷裂韌性的匹配提出了更高要求。除碳化鎢等單一碳化物以外,近年來(lái)研究者們也關(guān)注新型多組元高熵碳化物,其為含有四種及以上碳化物的等摩爾或近等摩爾比單相固溶體。
在單相多組元高熵碳化物中,幾種金屬組元隨機(jī)占據(jù)陽(yáng)離子位點(diǎn),而碳原子位于陰離子亞晶格。多組元高熵碳化物相比于傳統(tǒng)碳化物具備更高硬度及紅硬性、低導(dǎo)熱系數(shù)、優(yōu)異的抗氧化性、耐磨性和抗熱震性等。
多組元高熵碳化物還具有廣闊的成分設(shè)計(jì)空間,其在硬質(zhì)合金領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景。
然而,此前開(kāi)發(fā)的多組元高熵碳化物也存在較高脆性,使其工程應(yīng)用依然受限。在此背景下,緩解多組元高熵碳化物材料的脆性和提高其斷裂韌性至關(guān)重要。
為此,中南大學(xué)教授李志明團(tuán)隊(duì)提出的原位自生亞穩(wěn)態(tài)氧化鋯顆粒增韌策略,為解決該問(wèn)題提供了重要思路,對(duì)設(shè)計(jì)和制備下一代高性能硬質(zhì)合金及其它高性能結(jié)構(gòu)材料具有廣泛的重要意義。
研究中,他們*提出了原位氧化鋯相變?cè)鲰g塊體高熵陶瓷的理念,并在論文中闡明了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法和充分的技術(shù)細(xì)節(jié),從而有力地支撐了研究結(jié)論。
這種多組元高熵碳化物除了具有高硬度和高斷裂韌性外,還具備高紅硬性、抗熱沖擊、抗月牙洼磨損以及抗氧化等特征,在硬質(zhì)合金應(yīng)用領(lǐng)域,尤其是超高速精加工刀具方面擁有巨大的潛力,也可用作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和火箭噴嘴的涂層材料等。
此外,該類多組元高熵碳化物在高能粒子輻射的極端環(huán)境下可表現(xiàn)出高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,其輻射耐受性相比常規(guī)核用陶瓷更高,有望應(yīng)用于核反應(yīng)堆關(guān)鍵部件。
研究伊始經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研之后,課題組發(fā)現(xiàn)目前對(duì)多組元高熵碳化物材料韌性優(yōu)化的研究還相當(dāng)有限,傳統(tǒng)的增韌方法往往以損失硬度為代價(jià)。
由于粉末冶金過(guò)程較難避免殘余氧的引入,已報(bào)道的高熵碳化物體系中經(jīng)常可見(jiàn)金屬氧化物雜質(zhì)存在。
針對(duì)于此,該團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)大膽的設(shè)想:主動(dòng)利用粉末冶金過(guò)程中的氧雜質(zhì),在成分合理優(yōu)化設(shè)計(jì)的多組元高熵碳化物中原位合成彌散分布的 ZrO2 顆粒,調(diào)控亞穩(wěn)四方相 ZrO2 的相分?jǐn)?shù)有可能實(shí)現(xiàn)顯著增韌。
這一設(shè)想背后的科學(xué)依據(jù)包括:
其一,機(jī)械加載過(guò)程可誘導(dǎo)亞穩(wěn)四方相 ZrO2 的馬氏體相變,實(shí)現(xiàn)材料中的相變?cè)鲰g效應(yīng);
其二,ZrO2 顆粒與基體的彈性模量及熱膨脹系數(shù)差異會(huì)引起殘余應(yīng)力場(chǎng)以及 ZrO2 顆粒周?chē)膩喠鸭y,可對(duì)主裂紋起偏轉(zhuǎn)和橋接作用從而抑制主裂紋的擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)韌化效應(yīng);
其三,原位形成的 ZrO2 顆?上姆勰┮苯疬^(guò)程中引入的殘余氧雜質(zhì),避免形成其他脆性氧化物。
隨后,他們開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。通過(guò)機(jī)械球磨和放電等離子燒結(jié)法,制備了多組元高熵碳化物(W0.2Ta0.2Nb0.2Zr0.2Ti0.2)C。
同時(shí),通過(guò)調(diào)控?zé)Y(jié)壓力以優(yōu)化原位亞穩(wěn) ZrO2 的相分?jǐn)?shù),驗(yàn)證了原位亞穩(wěn) ZrO2 增韌碳化物陶瓷策略的可行性。
李志明表示:“實(shí)驗(yàn)部分主要由胡嬌嬌博士生主導(dǎo),研究中采用的粉末冶金制備方法對(duì)女生的體能是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。難熔碳化物的球磨需要采用硬質(zhì)合金材質(zhì)的球磨罐和研磨球,單個(gè)罐子重達(dá) 10 公斤!
從實(shí)驗(yàn)室配粉、裝機(jī)、取粉、篩粉到*后的清洗過(guò)程都需要人力搬運(yùn)球磨罐,長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)也讓胡嬌嬌博士生練就了一雙“麒麟臂”。
*終,相關(guān)論文以《通過(guò)亞穩(wěn)原位顆粒增強(qiáng)韌性的超硬大塊高熵碳化物》(Superhard bulk high-entropy carbides with enhanced toughness via metastable in-situ particles)為題發(fā)在 Nature Communications[1],胡嬌嬌是*作者,李志明擔(dān)任通訊作者。
基于該研究,后續(xù)還可持續(xù)優(yōu)化原位自生亞穩(wěn)四方氧化鋯顆粒的含量和尺寸等特征,以進(jìn)一步提升多組元高熵碳化物陶瓷的斷裂韌性。
從制備工藝角度而言,調(diào)控?zé)Y(jié)腔室中的氧分壓有利于合理調(diào)節(jié) Zr 的氧化行為、細(xì)化多組元陶瓷基體中原位自生的氧化鋯顆粒,有利于亞穩(wěn)態(tài)四方相氧化鋯保存至室溫狀態(tài),以提升相變?cè)鲰g效果。
從材料成分設(shè)計(jì)的角度而言,在非等摩爾比的多組元高熵碳化物中調(diào)節(jié) Zr 組元的含量有利于獲得更優(yōu)的氧化鋯顆粒含量;還可以設(shè)計(jì)高模量的多組元高熵碳化物基體以抑制冷卻過(guò)程中氧化鋯的相變,從而獲得高分?jǐn)?shù)的亞穩(wěn)四方 ZrO2 相以增加韌化效果。
此外,也可將原位自生氧化鋯顆粒增韌策略擴(kuò)展至多組元氮化物等其他陶瓷開(kāi)發(fā)領(lǐng)域,使其具備更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。
本站部分文章系轉(zhuǎn)載,不代表中國(guó)硬質(zhì)合金商務(wù)網(wǎng)的觀點(diǎn)。中國(guó)硬質(zhì)合金商務(wù)網(wǎng)對(duì)其文字、圖片與其他內(nèi)容的真實(shí)性、及時(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性以及其權(quán)利屬性均不作任何保證和承諾,請(qǐng)讀者和相關(guān)方自行核實(shí)。據(jù)此投資,風(fēng)險(xiǎn)自擔(dān)。如稿件版權(quán)單位或個(gè)人不愿在本網(wǎng)發(fā)布,請(qǐng)?jiān)趦芍軆?nèi)來(lái)電或來(lái)函與本網(wǎng)聯(lián)系。