CoCrFeNi基高熵合金熔体在碳化钨表面的润湿性能_杨静怡.pdf

第4 9卷 第1期2 0 2 3年2月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.1F e b.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 1-0 0 5 8-0 6D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 1.0 5 1 7收稿日期:2 0 2 1-0 9-1 3基金项目:上海市自然科学基金(1 8 Z R 1 4 0 1 1 0 0);上海市联盟计划资助项目(LM 2 0 1 8 0 8)通信作者:原一高,男,教授级高级工程师,研究方向为功能梯度硬质合金、金属材料的高性能化和零件成型与强化,E-m a i l:y u a n y g d h u.e d u.c n引用格式:杨静怡,原一高,张建国.C o C r F e N i基高熵合金熔体在碳化钨表面的润湿性能J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(1):5 8-6 3.YAN G J Y,YUAN Y G,Z HAN G J G.W e t t a b i l i t y o f C o C r F e N i-b a s e d h i g h e n t r o p y a l l o y m e l t o n t u n g s t e n c a r b i d e s u r f a c eJ.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(1):5 8-6 3.C o C r F e N i基高熵合金熔体在碳化钨表面的润湿性能杨静怡,原一高,张建国(东华大学 机械工程学院,上海 2 0 1 6 2 0)摘要:为 合 理 选 择 高 熵 合 金 黏 结 相,采 用 真 空 电 弧 熔 炼 法 制 备 了C o C r F e N i、C o C r F e N i A l、C o C r F e N i A l T i 等3种C o C r F e N i基高熵合金,用座滴法研究3种高熵合金熔体在碳化钨(WC)表面的润湿性能,并对润湿试样特征区域的成分和形貌进行表征。结果表明:C o C r F e N i基高熵合金熔体在WC表面的润湿过程分为迅速铺展和缓慢铺展2个阶段,活性元素在WC表面吸附扩散后形成前驱膜;C o C r F e N i基高熵合金熔体在WC表面的润湿为反应润湿类型,其中C o C r F e N i/WC体系中WC的溶解对润湿起重要作用,而C o C r F e N i A l/WC和C o C r F e N i A l T i/WC体系的润湿主要取决于界面反应;C o C r F e N i、C o C r F e N i A l、C o C r F e N i A l T i等3种高熵合金在WC表面有良好的润湿性能,平衡接触角分别为4.1 0、7.0 3 和3.6 2。关键词:C o C r F e N i基高熵合金;碳化钨;黏结相;润湿性能中图分类号:T B 3 1 文献标志码:AW e t t a b i l i t y o f C o C r F e N i-b a s e d h i g h e n t r o p y a l l o y m e l t o n t u n g s t e n c a r b i d e s u r f a c eY ANG J i n g y i,Y U AN Y i g a o,ZHANG J i a n g u o(C o l l ege o f M e c h a n i c a l E ngi n e e r i ng,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 1 6 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o s e l e c t t h e h igh-e n t r op y a l l oy b i n d e r ph a s e r e a s o n a b ly,t h r e e k i n d s o f C o C r F e N i-b a s e d h igh-e n t r op y a l l oys,i n c l u d i ng o f C o C r F e N i,C o C r F e N i A l a n d C o C r F e N i A l T i,w e r e pr epa r e d by t h e v a c u u m a r c m e l t i ng m e t h o d,a n d t h e w e t t i ng o f t h e t h r e e k i n d s o f h igh-e n t r op y a l l oy m e l t s o n t h e s u r f a c e o f t u ngs t e n c a r b i d e(WC)w a s s t u d i e d by t h e s e s s i l e d r op m e t h o d.T h e c o mpo s i t i o n a n d m o rph o l og y o f t h e c h a r a c t e r i s t i c a r e a s o f t h e w e t t e d s a mpl e s w e r e c h a r a c t e r i z e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e w e t t i ng pr o c e s s o f t h e C o C r F e N i-b a s e d h igh-e n t r op y a l l oy m e l t o n t h e WC s u r f a c e c a n b e d i v i d e d i n t o t w o s t age s:r api d spr e a d i ng a n d s l o w spr e a d i ng.T h e a c t i v e e l e m e n t s a r e a d s o r b e d a n d d i f f u s e d o n t h e WC s u r f a c e t o f o r m a pr e c u r s o r f i l m.T h e w e t t i ng o f t h e C o C r F e N i-b a s e d h igh-e n t r op y a l l oy m e l t o n t h e WC s u r f a c e i s a r e a c t i v e w e t t i ng ty pe,i n w h i c h t h e d i s s o l u t i o n o f WC i n C o C r F e N i/WC sys t e m pl ays a n i mpo r t a n t r o l e,w h i l e t h e w e t t i ng o f t h e C o C r F e N i A l/WC a n d C o C r F e N i A l T i/WC sys t e m s m a i n ly d epe n d s o n t h e i n t e r f a c e r e a c t i o n.C o C r F e N i,C o C r F e N i A l a n d C o C r F e N i A l T i h igh-e n t r op y a l l oys h a v e go o d w e t t a b i l i ty o n WC s u r f a c e,a n d t h e equ i l i b r i u m c o n t a c t a ngl e s a r e 4.1 0,7.0 3 a n d 3.6 2,第1期杨静怡,等:C o C r F e N i基高熵合金熔体在碳化钨表面的润湿性能r e spe c t i v e ly.K e y w o r d s:C o C r F e N i-b a s e d h igh-e n t r op y a l l oy;t u ngs t e n c a r b i d e;b i n d e r ph a s e;w e t t a b i l i ty 碳化钨(WC)基硬质合金的硬度高、耐磨性好,是机械制造业中普遍使用的刀具、模具材料1。这种材料以WC为硬质相、纯金属或合金为黏结相,采用液相烧结工艺制备而成,在烧结过程中黏结相与WC之间的润湿性对硬质合金的致密度和力学性能有关键的影响,一般而言,黏结相对WC的润湿能力越好,硬质合金的致密度和力学性能越高。金属钴(C o)对WC有着卓越的润湿性能(润湿角=0),因而以C o为黏结相的WC-C o硬质合金应用最为广泛2。C o是一种战略资源,但其耐腐蚀性差、高温强度低,限制了WC-C o硬质合金在工业中的应用。因此,寻找一种C o黏结相的替代物一直是硬质合金工业的研究热点。高熵合金(h i g h-e n t r o p y a l l o y s,HE A)是一种由多种主要元素按等原子比构成的新颖合金材料,具有强度高、硬度高、耐蚀性好、高温抗氧化性好等诸多优异性能,被认为最有希望替代C o作为硬质合金的黏结相3,其中,C o C r F e N i基高熵合金因具有优异的综合性能而备受关注。近年来,国内外研究者分别以C o C r F e N i4、C o C r F e N i A l5及C o C r F e N i A l T i6等高熵合金为黏结相开展了WC-HE A硬质合金的研究,结果表明,与WC-C o硬质合金相比,WC-H E A硬质合金具有更好的耐磨性、耐蚀性和高温稳定性,但这些研究多侧重于材料力学性能的表征,很少涉及高熵合金与WC之间的高温润湿性。本文对上述3种高熵合金在WC陶瓷表面的润湿行为进行研究,旨在为高熵合金黏结相的合理选择提供试验依据。1 材料与方法1.1 试验材料与制备方法 试验材料:WC陶瓷基板,C o C r F e N i、C o C r F e N i A l及C o C r F e N i A l T i等3种高熵合金。WC陶瓷基板(密度为1 4.8 3g/c m3,致密度为9 4.8 8%)由纯度大于9 9.9 9%的WC粉末经真空热压烧结制得,经表面研磨、抛光后在无水乙醇中超声波清洗3次,用表面粗糙度测量仪(J B-4 C型,上海泰明,中国)测量其表面粗糙度,为(3 52)n m。高熵合金材料由电弧熔炼法制备而成。首先将纯度9 9.9 5%的纯金属C o、C r、F e、N i及A l、T i粉末按等摩尔比球磨混合,之后在氩气保护下于真空电弧炉中反复熔炼6次、铜模中冷却成纽扣状铸锭。然后,将铸锭用电火花加工机床切 割成3 mm3 mm3 mm的试样,表面研磨、抛光后用超声波在无水乙醇中清洗1 0 m i n。C o C r F e N i基 高 熵 合 金 试 样 的X R D(X-r a y d i f f r a c t i o n)谱如图1所示。由图1可知,C o C r F e N i高熵合金为单相F C C(f a c e-c e n t e r e d c u b i c)结构,C