材料科学与工程专业优秀论文材料科学与工程专业优秀论文 WC-CoWC-Co 复合粉的原位合成与块体硬复合粉的原位合成与块体硬质合金的烧结质合金的烧结关键词：关键词：WC-CoWC-Co 复合粉复合粉 原位反应合成原位反应合成 反应热力学反应热力学 硬质合金硬质合金 放电等离子烧结放电等离子烧结 力学性能力学性能摘要：与传统的粗晶硬质合金相比，超细晶 WC-Co 硬质合金具有更高的硬度、 耐磨性、断裂韧性与横向断裂强度，是当今硬质合金行业的重点发展方向原 料复合粉末的合成和烧结是制备超细晶硬质合金的关键技术 本文首先利用 放电等离子烧结(SPS)的特殊优势，研究了以低成本的氧化钨、氧化钴和碳黑在 SPS 系统内还原.碳化并快速烧结致密化制备块体 WC-6wt.％Co 硬质合金的一步 法工艺整个制备过程包括预热、还原和碳化、粉末烧结和保温四个阶段，时 间总计在 30min 之内系统研究了配碳量、反应温度、烧结温度、烧结时间和 压力等对块体试样的物相和性能的影响，制备获得了具有高致密度和良好综合 力学性能的块体硬质合金材料首次建立了 SPS 快速反应机制模型，根据 SPS 过程中粉末颗粒接触面异常高温造成局部熔化或汽化的现象结合反应热力学揭 示了非平衡态下化学反应速率提高、反应物需要量和生成物种类及含量不同于 平衡态化学反应的原因，为 SPS 反应烧结工艺提供了重要的理论依据。
随后 研究了钨氧化物、钴氧化物和碳黑在真空环境下平衡反应的热力学、动力学和 分步反应过程利用反应热力学模型系统研究了平衡态原位反应过程中各物相 生成的温度、稳定性及转化规律计算结果表明，在 850℃以下的反应基本为 氧化物的还原反应，WO3 碳还原的顺序依次为 WO2-9、WO2、WO2.72 和 W，其与 中间产物 CoWO4 及还原产物 Co 起反应催化剂的作用高于 850℃的反应为钨的 碳化和缺碳 η 相的逐渐消失，当反应温度高于 1127℃时，因反应自由能的变 化为正值，W2C 将无法转化生成 WC系列模型预测结果得到了实验研究的证实 在 WC-Co 复合粉原位反应合成的动力学研究中，阐释了氧化钨碳还原包括碳黑 与氧化钨的直接还原和利用反应气体产物 CO 与碳黑反应生成的 CO2 作为媒介的 间接气-固反应的过程：指出提高反应温度和增大生成物的孔隙度有利于加快反 应深入研究表明，氧化钨碳还原颗粒具有明显的层状结构，自外到内钨的化 合价递增，还原程度降低：钨的碳化是碳原子替换体心立方钨晶胞的中心钨原 子，然后碳原子转换到钨原子点阵间隙再经晶胞常数微调而形成 利用系列 实验全面研究了反应物配碳量和各种工艺参数对制备的复合粉物相和粒径的影 响。
延长反应物球磨时间和原位反应时间、提高反应温度和真空度有利于提高 物相的纯度；增加球磨时间，降低反应温度和保温时间有利于细化复合粉的粒 径在反应热力学理论模型和实验研究相结合的基础上，获得了最佳的复合粉 制备工艺参数组合，开发出了低温、快速、高纯度及粒径可控的超细复合粉原 位合成制备的新工艺 最后，以制备的复合粉为原料，应用 SPS 技术研究制 备超细晶硬质合金块体材料全面研究了 SPS 各工艺参数对烧结硬质合金块体 显微组织和性能的影响实验结果表明，超细复合粉的致密化开始于 804℃， 于 1175℃固相致密化结束；烧结温度、烧结压力和保温时间明显影响 WC 平均 晶粒尺寸及尺寸分布进而影响力学性能在优化工艺参数一烧结温度 1325℃、 烧结压力 50MPa、保温 6-8min 的条件下，获得 WC-6Co 硬质合金块体材料的优 良综合性能：硬度 92.6HRA、断裂韧性 12MPa·ml/2、横向断裂强度为2180MPa探讨了复合粉中添加晶粒生长抑制剂对烧结块体 WC 晶粒尺寸和硬度、 韧性的影响，并讨论了硬质合金块体材料的断裂机制正文内容正文内容与传统的粗晶硬质合金相比，超细晶 WC-Co 硬质合金具有更高的硬度、耐 磨性、断裂韧性与横向断裂强度，是当今硬质合金行业的重点发展方向。
原料 复合粉末的合成和烧结是制备超细晶硬质合金的关键技术 本文首先利用放 电等离子烧结(SPS)的特殊优势，研究了以低成本的氧化钨、氧化钴和碳黑在 SPS 系统内还原.碳化并快速烧结致密化制备块体 WC-6wt.％Co 硬质合金的一步 法工艺整个制备过程包括预热、还原和碳化、粉末烧结和保温四个阶段，时 间总计在 30min 之内系统研究了配碳量、反应温度、烧结温度、烧结时间和 压力等对块体试样的物相和性能的影响，制备获得了具有高致密度和良好综合 力学性能的块体硬质合金材料首次建立了 SPS 快速反应机制模型，根据 SPS 过程中粉末颗粒接触面异常高温造成局部熔化或汽化的现象结合反应热力学揭 示了非平衡态下化学反应速率提高、反应物需要量和生成物种类及含量不同于 平衡态化学反应的原因，为 SPS 反应烧结工艺提供了重要的理论依据 随后 研究了钨氧化物、钴氧化物和碳黑在真空环境下平衡反应的热力学、动力学和 分步反应过程利用反应热力学模型系统研究了平衡态原位反应过程中各物相 生成的温度、稳定性及转化规律计算结果表明，在 850℃以下的反应基本为 氧化物的还原反应，WO3 碳还原的顺序依次为 WO2-9、WO2、WO2.72 和 W，其与 中间产物 CoWO4 及还原产物 Co 起反应催化剂的作用。
高于 850℃的反应为钨的 碳化和缺碳 η 相的逐渐消失，当反应温度高于 1127℃时，因反应自由能的变 化为正值，W2C 将无法转化生成 WC系列模型预测结果得到了实验研究的证实 在 WC-Co 复合粉原位反应合成的动力学研究中，阐释了氧化钨碳还原包括碳黑 与氧化钨的直接还原和利用反应气体产物 CO 与碳黑反应生成的 CO2 作为媒介的 间接气-固反应的过程：指出提高反应温度和增大生成物的孔隙度有利于加快反 应深入研究表明，氧化钨碳还原颗粒具有明显的层状结构，自外到内钨的化 合价递增，还原程度降低：钨的碳化是碳原子替换体心立方钨晶胞的中心钨原 子，然后碳原子转换到钨原子点阵间隙再经晶胞常数微调而形成 利用系列 实验全面研究了反应物配碳量和各种工艺参数对制备的复合粉物相和粒径的影 响延长反应物球磨时间和原位反应时间、提高反应温度和真空度有利于提高 物相的纯度；增加球磨时间，降低反应温度和保温时间有利于细化复合粉的粒 径在反应热力学理论模型和实验研究相结合的基础上，获得了最佳的复合粉 制备工艺参数组合，开发出了低温、快速、高纯度及粒径可控的超细复合粉原 位合成制备的新工艺 最后，以制备的复合粉为原料，应用 SPS 技术研究制 备超细晶硬质合金块体材料。
全面研究了 SPS 各工艺参数对烧结硬质合金块体 显微组织和性能的影响实验结果表明，超细复合粉的致密化开始于 804℃， 于 1175℃固相致密化结束；烧结温度、烧结压力和保温时间明显影响 WC 平均 晶粒尺寸及尺寸分布进而影响力学性能在优化工艺参数一烧结温度 1325℃、 烧结压力 50MPa、保温 6-8min 的条件下，获得 WC-6Co 硬质合金块体材料的优 良综合性能：硬度 92.6HRA、断裂韧性 12MPa·ml/2、横向断裂强度为 2180MPa探讨了复合粉中添加晶粒生长抑制剂对烧结块体 WC 晶粒尺寸和硬度、 韧性的影响，并讨论了硬质合金块体材料的断裂机制 与传统的粗晶硬质合金相比，超细晶 WC-Co 硬质合金具有更高的硬度、耐磨性、 断裂韧性与横向断裂强度，是当今硬质合金行业的重点发展方向原料复合粉 末的合成和烧结是制备超细晶硬质合金的关键技术 本文首先利用放电等离子烧结(SPS)的特殊优势，研究了以低成本的氧化钨、氧化钴和碳黑在 SPS 系统 内还原.碳化并快速烧结致密化制备块体 WC-6wt.％Co 硬质合金的一步法工艺 整个制备过程包括预热、还原和碳化、粉末烧结和保温四个阶段，时间总计在 30min 之内。
系统研究了配碳量、反应温度、烧结温度、烧结时间和压力等对 块体试样的物相和性能的影响，制备获得了具有高致密度和良好综合力学性能 的块体硬质合金材料首次建立了 SPS 快速反应机制模型，根据 SPS 过程中粉 末颗粒接触面异常高温造成局部熔化或汽化的现象结合反应热力学揭示了非平 衡态下化学反应速率提高、反应物需要量和生成物种类及含量不同于平衡态化 学反应的原因，为 SPS 反应烧结工艺提供了重要的理论依据 随后研究了钨 氧化物、钴氧化物和碳黑在真空环境下平衡反应的热力学、动力学和分步反应 过程利用反应热力学模型系统研究了平衡态原位反应过程中各物相生成的温 度、稳定性及转化规律计算结果表明，在 850℃以下的反应基本为氧化物的 还原反应，WO3 碳还原的顺序依次为 WO2-9、WO2、WO2.72 和 W，其与中间产物 CoWO4 及还原产物 Co 起反应催化剂的作用高于 850℃的反应为钨的碳化和缺 碳 η 相的逐渐消失，当反应温度高于 1127℃时，因反应自由能的变化为正值， W2C 将无法转化生成 WC系列模型预测结果得到了实验研究的证实在 WC-Co 复合粉原位反应合成的动力学研究中，阐释了氧化钨碳还原包括碳黑与氧化钨 的直接还原和利用反应气体产物 CO 与碳黑反应生成的 CO2 作为媒介的间接气- 固反应的过程：指出提高反应温度和增大生成物的孔隙度有利于加快反应。
深 入研究表明，氧化钨碳还原颗粒具有明显的层状结构，自外到内钨的化合价递 增，还原程度降低：钨的碳化是碳原子替换体心立方钨晶胞的中心钨原子，然 后碳原子转换到钨原子点阵间隙再经晶胞常数微调而形成 利用系列实验全 面研究了反应物配碳量和各种工艺参数对制备的复合粉物相和粒径的影响延 长反应物球磨时间和原位反应时间、提高反应温度和真空度有利于提高物相的 纯度；增加球磨时间，降低反应温度和保温时间有利于细化复合粉的粒径在 反应热力学理论模型和实验研究相结合的基础上，获得了最佳的复合粉制备工 艺参数组合，开发出了低温、快速、高纯度及粒径可控的超细复合粉原位合成 制备的新工艺 最后，以制备的复合粉为原料，应用 SPS 技术研究制备超细 晶硬质合金块体材料全面研究了 SPS 各工艺参数对烧结硬质合金块体显微组 织和性能的影响实验结果表明，超细复合粉的致密化开始于 804℃，于 1175℃固相致密化结束；烧结温度、烧结压力和保温时间明显影响 WC 平均晶粒 尺寸及尺寸分布进而影响力学性能在优化工艺参数一烧结温度 1325℃、烧结 压力 50MPa、保温 6-8min 的条件下，获得 WC-6Co 硬质合金块体材料的优良综 合性能：硬度 92.6HRA、断裂韧性 12MPa·ml/2、横向断裂强度为 2180MPa。
探 讨了复合粉中添加晶粒生长抑制剂对烧结块体 WC 晶粒尺寸和硬度、韧性的影响， 并讨论了硬质合金块体材料的断裂机制 与传统的粗晶硬质合金相比，超细晶 WC-Co 硬质合金具有更高的硬度、耐磨性、 断裂韧性与横向断裂强度，是当今硬质合金行业的重点发展方向原料复合粉 末的合成和烧结是制备超细晶硬质合金的关键技术 本文首先利用放电等离 子烧结(SPS)的特殊优势，研究了以低成本的氧化钨、氧化钴和碳黑在 SPS 系统 内还原.碳化并快速烧结致密化制备块体 WC-6wt.％Co 硬质合金的一步法工艺 整个制备过程包括预热、还原和碳化、粉末烧结和保温四个阶段，时间总计在 30min 之内系统研究了配碳量、反应温度、烧结温度、烧结时间和压力等对 块体试样的物相和性能的影响，制备获得了具有高致密度和良好综合力学性能的块体硬质合金材料首次建立了 SPS 快速反应机制模型，根据 SPS 过程中粉 末颗粒接触面异常高温造成局部熔化或汽化的现象结合反应热力学揭示了非平 衡态下化学反应速率提高、反应物需要量和生成物种类及含量不同于平衡态化。