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广东大学生科技创新培育专项资金作品申报书（自然科学学术论文类）申报者基本情况姓名夏晓建学校华南理工大学学历硕士系别、专业、年级机械与汽车工程学院、材料加工工程、14级硕士联系电话18814137886电子邮箱xxj1876631@163.com项目名称Al2O3-ZrO2协同增韧WC基硬质合金材料及其制备方法合作者情况姓名性别所在单位专业学历关模男华南理工大学材料加工工程硕士李京懋男华南理工大学材料加工工程硕士王腾男华南理工大学材料加工工程硕士指导教师姓名职称所在单位联系方式李小强教授华南理工大学13435428716项目所属领域（A）A．机械与控制（包括工程与技术科学基础学科、测绘科学技术、矿山工程技术、冶金工程技术、机械工程、动力与电气工程、土木建筑工程、水利工程、交通运输工程、航空、航天科学技术等）B．信息技术（包括信息科学与系统科学、电子、通信与自动控制技术、计算机科学技术等）C．数理（包括数学、力学、物理学、天文学、地球科学等）D．生命科学（包括生物学、农学、林学、畜牧、兽医科学、水产学、基础医学、临床医学、预防医学与卫生学、军事医学与特种医学、药学、医学、中医学与中药学等）E．能源化工（包括化学、材料科学、能源科学与技术、化学工程、纺织科学技术、食品科学技术、环境科学技术、安全科学技术等）项目研究的目的和基本思路具有高硬度、优异耐磨性能和低热膨胀系数等一系列优点的WC硬质合金是机械制造、道路建设、国防军工等领域极为重要的一类材料。广东省作为中国的制造大省甚至世界加工制造中心，对WC硬质合金的应用需求规模巨大且呈日益增长趋势。随着应用环境向极端工况方向的发展，譬如：工作温度越来越高、环境酸碱度偏离中值明显、待加工材料的硬度增大等，对由WC制造的打印针头、工模具、高性能刀具（如盾构机刀头）等的硬度、耐磨性能、抗弯强度、耐高温性能和耐蚀性能等提出了更为刻苛的要求。而以Co等金属为粘结相的WC材料已越来越难满足现代高精度、高质量和高效生产等发展需求。无粘结相纯WC材料虽具有高硬、耐高温、耐强酸强碱等优点，然而固有低韧性极大地抑制其应用。另外，WC本身也是一种陶瓷材料，利用第二相颗粒强韧化机制来改善WC陶瓷的脆性同时提高其高温耐磨、耐腐蚀性能；其次，WC可与第二相颗粒形成少量固溶体，使烧结温度较纯WC烧结低。因此，第二相颗粒增韧WC一直以来都是本领域研究的重点。根据第二相颗粒的性质，可分为相变第二相颗粒和非相变第二相颗粒增韧补强，其典型的代表分别是Al2O3和ZrO2。ZrO2相变第二相颗粒增韧利用应力诱发相变的机制，增韧效果较Al2O3非相变第二相颗粒增韧好，但是由于ZrO2本征硬度较低，必然导致WC-ZrO2材料硬度低；与此相反，Al2O3的本征硬度较ZrO2高，WC-Al2O3材料的硬度显著高于WC-ZrO2，但韧性差。为此，申请者提出同时添加相变-非相变ZrO2-Al2O3陶瓷等多组元非金属相协同增韧WC，以期从材料成分及相组成角度解决难以获得高综合性能WC材料及零部件的难题。因此，研制兼具高硬度和高韧性、原料易得的新型基硬质合金以代替Co，具有必要性和紧迫性。相变-非相变ZrO2-Al2O3陶瓷相协同增韧机理研究放电等离子烧结术(SPS)改善WC材料性能的成份、组织和制备技术的理论预分析相变ZrO2颗粒增韧WC机理分析非相变Al2O3颗粒增韧WC机理分析非金属协同韧增WC材料的成份设计机械球磨制粉烧结参数对ZrO2-Al2O3-Y2O3共晶的形成与生长及其与WC性能之间的关系新型高性能WC基硬质合金材料及其制备方法项目的前沿性、学术性及独特之处前沿性：揭示相变-非相变ZrO2-Al2O3陶瓷等多组元协同增韧WC制备过程中的增韧相的形成机理以及对WC的增韧机理。目前利用第二相非金属（主要为陶瓷）增韧从而获得无粘相且具有优异综合性能WC材料的研究才刚刚起始。利用相变-非相变ZrO2-Al2O3陶瓷多组元协同增韧WC的研究则尚无报道，有关多组元非金属相协同增韧WC制备过程中的增韧相的形成机理以及对WC的协同增韧机理的研究极为缺乏，极大地限制了非金属相协同增韧WC方法的应用。故本项目的研究非常必要，且十分先进。学术性：(1)目前国内外对单独添加非相变Al2O3或相变ZrO2增韧WC陶瓷材料研究较为深入，证实了其可行性。此外，本项目组所在团队的前期工作初步明确了对非相变Al2O3和相变ZrO2陶瓷对WC材料的增韧作用，揭示了单独添加非相变Al2O3或相变ZrO2陶瓷WC晶粒生长的影响规律以及对WC的增韧机制，从而为采用多组元非金属相协同增韧WC材料的设计奠定了基础。(2)项目组所依托的国家金属材料近净成形工程技术研究中心暨金属材料高效近净成形技术与装备教育部重点实验室（B类）和华南理工大学测试中心，拥有高能球磨设备、放电等离子烧结设备（SPS）、XRD、SEM、TEM、HREM等先进的材料制备、分析和检测设备，为本项目的实施提供了良好的条件。独特之处：揭示相变-非相变ZrO2-Al2O3陶瓷协同增韧机理，同时发明一种新型高性能无粘结相WC材料及其制备方法，并且有关机理的揭示，可为开发高性能无粘相WC材料的成份设计、烧结技术优化和精确控制烧结材料的组织与性能提供理论依据。项目的应用价值和现实意义所研究的WC基硬质合金材料，在切削刀具、开采工具、石油与地质矿山勘探、耐磨零件和精密模具等领域有着举足轻重的作用，具有广泛的应用价值。本项目旨在发明一种新型的高性能无粘结相的WC基硬质合金材料及其制备方法，对减小Co元素的含量，打破国外高性能WC产品垄断。所开发的Al2O3-ZrO2协同增韧WC基硬质合金材料，原料来源广泛，价格便宜，且制备方法为机械球磨法与放电等离子烧结相结合，简单高效，易于在企业转化，前景广阔。项目已有研究成果以除导师外的第一作者的身份申请发明专利2项。以本人第一作者导师第二作者的身份投稿SCI（二区）论文一篇（已进入审稿阶段）。项目研究的未来工作安排（主要研究内容、进度安排及拟解决关键问题）主要研究内容：(1)多组元非金属相协同增韧无粘结相WC材料的成份研究。基于陶瓷材料增韧理论，初步分析相变-非相变ZrO2-Al2O3-对WC的协同增韧机理，研究多组元非金属增韧相间形成共晶相的可能性及其熔点，从而为降低后续WC材料的烧结温度和促进WC材料的致密化提供可能。(2)多组元非金属相增韧WC材料的制备工艺研究及优化。采用高能球磨方法对WC材料进行预处理，随后采用SPS技术对上述材料的固化烧结。主要研究球磨参数和烧结参数对WC材料组织和性能（包括致密度、相组成及形状、晶粒尺寸、强度、硬度、韧性和耐磨性能等）的影响规律。(3)多组元非金属相增韧WC材料的协同增韧机理及烧结过程中增韧相的交互作用机理研究。结合WC材料的成份、烧结工艺、组织和性能间影响规律的研究，研究增韧相间形成多元共晶相的机理，并分析多元共晶相（部分Al2O3-ZrO2-Y2O3）对WC晶粒生长的促进作用及机理；揭示各增韧相对WC及其他增韧相的相转变、生长的影响机制。进度安排：2016年3月1日~2016年5月1日：研究多组元非金属增韧相间形成共晶相的可能性及其熔点，设计无粘结相WC材料的成份；开展无粘结相WC材料的预处理技术研究；开展SPS烧结参数及材料成份对WC材料的组织、性能影响规律的研究。2016年5月2日~2016年8月1日：进一步深入开展SPS烧结WC材料的技术研究，明确材料成分、烧结工艺、烧结组织及材料性能间的影响规律。2016年8月2日~2016年10月1日：深化烧结技术及烧结材料的组织性能研究；深入研究并明确多组元非金属相协同增韧WC材料机理；优化WC产品的成份配方和烧结参数，确立相应材料的制备工艺。2016年10月2日~2016年12月1日:整理前期实验数据，撰写相关学术论文，准备项目结题验收。拟解决的关键问题：(1)采用相变-非相变陶瓷ZrO2-Al2O3等多组元协同增韧的无粘结相WC材料的成份设计。本项目研究旨在揭示多组元非金属相协同增韧WC的机理，并期望通过改进WC材料的成份、发挥多组元非金属相的增韧作用，为具有优异综合性能的无粘结相WC材料的制备探索一条可行的新途径。设计合理的成份配方是先决条件。通过合理设计多组元增韧相及其含量，有助于形成熔点相对较低的多元共晶相，从而促进材料的烧结致密甚至强化不同相间的界面结合。(2)探索多组元非金属相协同增韧WC材料的机理是本项目拟解决的关键问题。通过揭示第二相增韧陶瓷的机理和进一步揭示多组元相间的协同增韧机理，有利于充分相变-非相变ZrO2-Al2O3陶瓷相的协同增韧作用，从而显著改善无粘结相WC材料的韧性。然而各非金属相对WC的增韧机理的研究尚较为缺乏（Al2O3-ZrO2陶瓷相协同增韧WC尚无相关报道），本项目研究中多组元非金属相的存在以及交互作用（对彼此相尺寸和形状、晶粒尺寸、相分布、相界面结构等可能会产生影响），势必会增大对协同增韧机理的分析难度。预期成果形式和效益(1)明确相变ZrO2以及非相变Al2O3陶瓷等多组元协同增韧WC的机理，揭示陶瓷增韧WC材料的烧结致密化机理和组织演变规律、组织结构对性能的影响规律和机理，为高性能无粘相WC材料的成份设计、烧结技术优化和精确控制烧结材料的组织与性能提供理论依据。(2)申请国家发明专利一项，发表相关SCI论文一篇。学校团委推荐意见（盖章）年月日