碳化钨/碳化硅粉体及其复合材料的制备与表征研究

摘要

WC/SiC复合材料因其高强度、高硬度、耐磨性和抗腐蚀性能良好而广泛应用于武器装备、航空航天、汽车、电子加工和金属切削等行业。钨是稀有不可再生资源,用超细SiC粉部分取代WC制备性能优越的复合材料,能有效利用SiC基磨料工业的超细尾砂,而且减少钨金属的使用量。现阶段对WC/SiC复合材料的研究很少,主要采用固相法直接用WC增韧SiC,组分均匀性与界面结合强度难以控制。本研究在SiC颗粒表面原位合成均匀包裹的WC颗粒,提高两相界面结合强度,制备出综合性能优良的WC/SiC复合材料。
　　 论文以偏钨酸铵和SiC粉为主要原料,经沉淀法和水热法制得H2WO4/SiC前驱粉体,煅烧后得到WO3/SiC复合粉体;以所得H2WO4/SiC和WO3/SiC粉体为原料,CO/CO2气氛下管式电炉中碳化制备WC/SiC复合粉体。此外,先机械球磨制得偏钨酸铵与SiC混合粉体,CO/CO2气氛下管式电炉中部分碳化得到不纯WC/SiC粉体后,加入乙酸钴混合,得到的产物再次碳化制得WC/SiC/Co复合粉体。为了对比,机械球磨所得的偏钨酸铵、SiC与乙酸钴的混合粉体,经CO/CO2气氛管式电炉直接碳化制得WC/SiC/Co复合粉体。最后以所得WC/SiC复合粉体为增强组分或主要成分制备块体材料:将纯净WC/SiC复合粉体作为增强体加入到Fe、Cu、Al等金属基体中,经SPS法制得WC/SiC增强金属基块体材料;以WC/SiC/Co复合粉体为原料,经SPS或真空热压烧结制得WC/SiC/Co超硬材料。对原料、中间产物以及终端复合粉体与块体材料的物相组成、形貌与结构、力学性能等进行了系统表征、分析。
　　 酸沉淀法制备H2WO4/SiC前驱体主要受溶液pH(1～7)、温度(20～100℃)、SiC颗粒尺寸(1～18μm)等因素影响;在溶液pH≈1、SiC(μm)时,80℃水浴24h得到的H2WO4/SiC经400～500℃煅烧2h后,WO3在SiC表面包裹均匀;120与150℃水热反应5h制备的H2WO4/SiC粉体经煅烧制得的WO3/SiC中,WO3在SiC表面分布均匀,但WO3有明显层片状生长,150℃时更加明显。前驱体的碳化主要受碳化温度(650～850℃)和通气流量(CO80～100mL/min,CO210～30mL/min)的影响,通气流量CO/CO2=100/10时碳化效果最好,在750℃碳化5h后前驱体中WO3约80％转化为WC。
　　 为增强WC/SiC复合粉体与金属基体间的界面结合,在粉体中加入乙酸钴,750℃下碳化6～8h得到纯净WC/SiC/Co复合粉体;WC/SiC作为增强体对金属基材料力学性能有明显增强,700℃时SPS制得的WC/SiC-Cu块体材料将纯铜块体材料的抗弯强度和硬度分别提高了26.71%和60.80%。分步碳化制得的WC/SiC/10%Co复合粉体经SPS制备块体复合材料的最优烧结温度为1200℃、保温时间10min,得到的块体材料硬度86HRA、强度1146MPa;直接碳化得到的不同Co含量的WC/SiC/Co复合粉体在1400～1450℃真空热压烧结后,制备的块体材料致密度不足,力学性能差。