北京大学の優れた特性を持つ炭化タングステンの新しいブレークスルー-Meetyou Carbide

その高い硬度と耐摩耗性により、 炭化タングステン is widely used as a variety of processing tool materials, known as “industrial teeth”. Among them, WC Co 炭化タングステン の最大の生産と消費です 炭化タングステン 材料。数十年にわたる開発の後、 炭化タングステン 、硬度と耐摩耗性は基本的にサービス性能の要件を満たすことができますが、破壊強度と衝撃靭性は、アプリケーションの拡張のボトルネックです 炭化タングステン 、特にハイエンドアプリケーション。長い間、の強化と強化メカニズムについての体系的な理解が不足しています。 炭化タングステン 、一種の金属セラミック二相複合材料と添加剤を含む多相複合材料です。この種の材料システムの多成分、構造、機械的挙動と包括的な性能の関係は、さらに研究する必要があります。

コンテンツ 隠れる

1 1.scientific problems

2 2.Research progress

1.科学的問題ems

現在、分野の共通の基礎研究の科学的な問題 炭化タングステン エンジニアリングアプリケーションから、次のように要約できます。

超微細でナノ結晶の工業的調製において 炭化タングステン 、粒成長抑制剤を添加して粒成長を制御する必要があります。しかし、阻害剤は通常、靭性と強度に悪影響を及ぼします 炭化タングステン 。阻害剤由来の微細構造の安定性制御因子と、微細構造および機械的特性への影響を完全に理解する必要があります。 炭化タングステン .

硬質相の結晶粒径がサブミクロンスケール未満に減少すると、内部界面は徐々に、靭性と強度に影響を与える主な要因になります。 炭化タングステン 。ただし、WC / COおよびWC / WC境界を安定化できる要因と安定化のメカニズムはよく理解されておらず、低エネルギー界面の形成と進化のメカニズムはよく理解されていません。

の機械的挙動と微細機構の研究を通じて 炭化タングステン 室温および高温で、サービスプロセスの強化および強化メカニズムの理解を深め、高性能の設計と準備をガイドすることができます。 炭化タングステン 。現時点では、微小変形メカニズム、塑性の源、および材料の高温機械的挙動の体系的な理解はありません。 炭化タングステン .

2.研究の進展

Professor Song Xiaoyan’s team of Beijing University of technology has carried out a series of basic researches on the practical problems in the engineering application of 炭化タングステン 。 2013年に、研究チームは最初にナノ結晶を準備しました 炭化タングステン 高い硬度と高い靭性の両方を備えた高密度で均一な構造の材料をブロックし、ナノ結晶性二相の界面コヒーレント強化理論を提唱 炭化タングステン (ACTA mater. 2013, 61, 2154-2162), which has been fully verified in in-situ mechanical experiments (mater. Res. lett. 2017, 5, 55-60). Recently, combining theoretical modeling and experimental design, the research group has deeply studied various “interface structures” that may appear in 炭化タングステン 材料、および2〜6原子層の厚さ、影響因子、安定化アプローチ、マイクロメカニズムを備えたいくつかの種類のインターフェイス構造が見つかりました。添加剤の最適化と組成の微調整により、界面構造の安定性を的確にコントロールします。 V、Cr、Ti、Ta、Nbなどのさまざまな元素を含む相界面整合材料の反粒界破壊のメカニズムが提案されています。さらに、粒成長の阻害剤を最適化し、焼結緻密化温度を制御することにより、低エネルギー境界での∑ 2および∑ 13Aの形成と進化に対する界面構造の安定性と表面エネルギー異方性の影響が得られました。したがって、WC / COコヒーレント相境界のWC / WC低エネルギー粒界分布に対する比率を増加させるという制御可能な準備問題は、 炭化タングステン is solved. Relevant achievements were successively published in Acta mater. 2018, 149, 164-178 and Acta mater. 2019, 175, 171-181 under the titles of “complexions in WC Co 炭化タングステン s” and “low energy grain boundaries in WC Co 炭化タングステン s”. Guided by the basic research, the research group and the enterprise cooperated to prepare the ultra-high strength and high toughness 炭化タングステン 平均横方向破壊強度が5200mpaを超え、破壊靭性が13.0mpa・M1 / 2を超えるバー。破壊強度値は、類似の中で最も高い破壊強度の性能指標です。 炭化タングステン 世界で報告されました。

さらに、研究グループは、炭化タングステンの微細構造、機械的挙動、および包括的な特性の間の関係について多くの研究を行ってきました。実験の面では、外部荷重下の炭化タングステンの微細構造の進化、特に転位と積層断層運動の法則は、その場での機械実験によって実現されました。

微細構造の特性評価と結晶学解析の助けを借りて、高強度と靭性の炭化タングステンにおける硬質相と延性相の結晶欠陥の相互作用メカニズムが提案され、亀裂の核形成の遅延と亀裂の成長への抵抗に対するそのメカニズムが明らかになりました。特に、炭化タングステンのひずみ挙動を考慮すると、WC相のメインスリップシステムは、室温で圧縮バーの転位を生成することができますが、高温での新しいスリップシステムの活性化は、塑性の寄与を提供することができます。炭化タングステンの塑性ひずみとすべり系の動きと転位の関係、温度による変化則を明らかにします。シミュレーション計算の側面では、室温および高温での双結晶および多結晶炭化タングステンの機械的挙動が分子動力学法によって研究され、粒界、相境界、粒内欠陥および粒サイズが炭化タングステンの変形・破壊挙動を原子スケールで明らかにした。電子スケールでは、WCの電子状態密度と結合形態を第一原理で計算・解析し、WCの高硬度化のミクロ機構を解明します。

It is proposed that the elastic modulus and hardness of WC can be further improved by micro solid solution of metal elements with high work function, and then higher hardness re solid solution unbonded phase WC bulk material is successfully synthesized in the experiment. In 2019, the above research progress was published in three consecutive articles in the international well-known journal crystal Journal: Acta crystal. 2019, B75, 134-142 (the first author is Fang Jing, master’s student); Acta crystal. 2019, B75, 994-1002 (the first author is Dr. LV Hao); Acta crystal. 2019, B75, 1014-1023 (the first author is Hu Huaxin, doctoral student). On the meso and macro scale, a finite element model based on the real three-dimensional structure of tungsten carbide is established. The heterogeneous strain response and plastic deformation behavior of tungsten carbide under the interaction of as prepared residual thermal stress and external stress in the bearing process are studied. The relationship between microstructure deformation behavior fracture toughness is revealed. This achievement was published in int. J. plasticity, 2019, 121, 312-323 (the first author is Dr. Li Yanan).

図1. VCとCr3C2を追加して形成されたWC / CO相境界の界面構造と進化特性