基于碳化物增強鉬合金組織性能研究進展

黎華挺，耿占吉＊

（長沙華希新材料有限公司，湖南 長沙 410000）

1 碳化物在鉬合金中的應用概述

由于碳化物的力學性能好、熔點高、硬度高、熱穩定性好，所以其被廣泛應用在合金材料中，尤其是在硬質合金層中發揮著重要作用。

鉬合金中碳化物的應用最早源于日本，利用熱等靜壓燒結和機械合金化工藝制得Mo-TiC合金，該合金中的TiC粒子可有效抑制基體鉬晶界發生遷移變化，故該鉬晶粒被完全細化。此外，TiC粒子會阻止基體與其發生界面流動，這足以使其結晶的溫度得以提高，高達2000攝氏度。東京鎢業研究了TiC純度對鉬合金晶粒度的影響，結果表明：當TiC純度升高時，鉬合金的晶粒尺寸會變小至5μm，在700℃和1000℃的高溫環境下鉬合金的抗彎強度為800MPa和300MPa，其組織性能要比純鉬和TZM合金高出許多[1]。這主要是因為鉬合金熱穩定性較高，其在構建核反應堆結構部件當中有著廣泛的應用，有知名專家發現，對Mo-0.2wt% TiC合金進行一次輻射操作后，其韌脆的轉變溫度會比TZM合金低出許多。

2 添加TiC對鉬合金組織性能的影響探究

2.1 添加TiC對鉬合金組織形貌的影響

通過對添加不同含量的TiC鉬合金研究發現，當TiC的含量是1%時，鉬基體的晶粒尺寸保持在10μm以上，而在一些直徑較大的晶粒中間會存在10μm以下的晶粒；當TiC的含量為3%時，鉬基體的晶粒尺寸會維持在8μm～10μm之間，并且該基體中會出現團聚的TiC；當TiC的含量為5%時，TiC的團聚現象會變得更嚴重，而其基體的晶粒尺寸與前者相差不大；當TiC的含量為7%時，鉬的晶粒尺寸維持在3μm～6μm之間，而純鉬燒結坯的晶粒尺寸會保持在40μm上下。由此可得，TiC能夠有效得細化鉬的晶粒。

2.2 Cr，NbC等元素與碳化鈦的對比變化狀況分析

圖1是五組合金密度變化的示意圖，五條曲線的重合點是純鉬坯對比試樣的密度。

從圖中數據不難看出，在對三組合金進行單獨添加作業時，添加TiC以及添加Cr時鉬合金的密度會呈現出線性的變化趨勢，并且其波動程度較小，而添加NbC時其密度的波動程度較大。對此三組合金的密度進行縱向對比，從理論上來講應該是添加NbC的組別其密度最高，添加Cr的組別其密度處于中等水平，而添加TiC的組別其密度應當是處于最低的水平。然而實驗的最終結果卻是添加NbC的組別其密度整體較小，比添加Cr的組別要低，并且當添加量是3%和5%時，添加NbC的組別其合金密度要比添加TiC的組別低[2]。與其之前的形貌圖譜對比可知，添加Nbc組分的鉬合金基體出現一些孔洞，直徑約50μm，從而導致鉬合金基體的密度降低，隨著基體密度的變化，也會充分引發孔洞數量的遞增。

圖1 合金密度隨著成分和含量變化而變化的示意圖

3 TiC添加量對鉬合金組織性能的影響分析

通過對四組不同碳化物含量鉬合金的硬度和相對密度研究發現，該合金材料的硬度值與碳化物的含量相關，且隨著碳化物含量的遞增使其密度下降。

當碳化物含量為12%時，其合金硬度值為93.6HRA，但其密度為99.2%[3]。

由此可知，碳化物的添加可使其合金材料的硬度提高，與實驗要求值完全吻合，見圖2所示。

圖2 合金的硬度和相對密度的變化

但在相同的燒結溫度下，CO的潤濕性比WC差得多。在液相燒結過程中，碳化物比WC更難致密化，更容易形成孔洞。

由于本實驗仍采用真空燒結，很難消除合金中的氣孔。由于四種試樣在同一溫度下燒結，含有較多碳化物的合金較難致密，表現出較低的相對密度，合金的相對密度隨著復合碳化物的增加而降低。

不同碳化物含量合金的橫向斷裂強度如圖3所示。從圖中可以看出，不含碳化物的合金的橫向斷裂強度最高，達到2240MPa，隨著碳化物含量的增加，其橫向斷裂強度降低，且下降幅度較大。碳化物含量為12%時，合金的橫向斷裂強度為1480MPa。

圖3 4組試樣的橫向斷裂強度

通過上述研究可知，合金材料中添加碳化物，對其強度造成的影響因素可歸結為以下幾點：①碳化物的脆性和硬度增加了合金的脆性，降低了合金的韌性。此外，實驗中使用的碳化物較粗，即使經過預研磨也很難保證某些粗碳化物的存在。②復合碳化物對CO的潤濕性較低，增加了合金的孔隙率。氣孔是硬質合金中的一種嚴重缺陷，它會引起應力集中，嚴重降低硬質合金的強度。③碳化物的低潤濕性也表現為結合相結合強度的降低，尤其是當碳化物含量較高時。綜上所述，碳化物的加入顯著降低了細晶硬質合金的強度。

4 結語

總而言之，對碳化物增強鉬合金組織性能加以充分的研究，能夠促使我國鉬合金事業得以順利發展，為此，筆者已于上文對碳化物增強鉬合金組織性能的研究進展做出了詳細的闡述，希望能對相關人員有所幫助，也相信未來我國在碳化物增強鉬合金組織性能層面的研究會取得更深進展，中國鉬合金事業也必將實現更為繁榮的發展。