郭圣達(dá)，易健宏,2，鮑 瑞

（1.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.中南大學(xué)粉末冶金研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

放電等離子燒結(jié)制備鎢鈷硬質(zhì)合金的研究現(xiàn)狀

郭圣達(dá)1，易健宏1,2，鮑 瑞1

（1.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.中南大學(xué)粉末冶金研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

鎢鈷硬質(zhì)合金因具有優(yōu)異的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和斷裂韌性等綜合性能被廣泛應(yīng)用。燒結(jié)是制備硬質(zhì)合金最后也是最重要的步驟，近年來發(fā)展了多種硬質(zhì)合金燒結(jié)技術(shù)。文章綜述了放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)在硬質(zhì)合金制備中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為目前針對(duì)SPS技術(shù)的研究多集中在溫度因素對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)、性能的影響，而壓力、氣氛等因素的影響研究較少，故文章對(duì)壓力、氣氛等因素的影響研究也作了相應(yīng)的歸納，最后對(duì)SPS技術(shù)在硬質(zhì)合金領(lǐng)域研究應(yīng)用發(fā)展前景進(jìn)行了討論。

鎢鈷硬質(zhì)合金；放電等離子燒結(jié)；燒結(jié)溫度；壓力；設(shè)備

放電等離子燒結(jié)技術(shù)（Spark Plasma Sintering，SPS）又稱為“場(chǎng)輔助燒結(jié)”（Field Assistant Sintering Technique，F(xiàn)AST），是近幾年發(fā)展起來的一種快速固相燒結(jié)致密化工藝。利用強(qiáng)直流脈沖電流使被燒結(jié)粉末材料鄰近顆粒之間出現(xiàn)放電現(xiàn)象、石墨模具和接觸顆粒受到焦耳熱作用產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使粉末顆粒自發(fā)熱，在燒結(jié)的同時(shí)粉末受到軸向壓力作用，最終完成致密化過程。具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、致密化效果好等特點(diǎn)[1-3]。

SPS作為一種新興、高效的燒結(jié)制備技術(shù)，在粉末合成、塊體材料、功能梯度結(jié)構(gòu)材料等方面均得到了很好的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者利用SPS快速致密化技術(shù)制備出碳化鎢晶粒細(xì)小、性能優(yōu)異的超細(xì)/納米晶碳化鎢-鈷（WC-Co）硬質(zhì)合金，取得了較好的應(yīng)用效果，但同時(shí)伴隨的一些問題仍尚待解決[4-6]。

1 SPS設(shè)備和燒結(jié)過程

SPS設(shè)備主要包含脈沖電流發(fā)生器、加壓裝置、位移測(cè)量系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和測(cè)溫系統(tǒng)六個(gè)部分[1]，如圖1所示。

圖1 SPS燒結(jié)爐系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic illustration of SPS sintering furnace system

在進(jìn)行具體的試驗(yàn)操作時(shí)，首先選擇合適的石墨模具并計(jì)算所需粉末重量，將粉末試樣裝入石墨模具中，可選擇預(yù)壓或不預(yù)壓，將模具置于上下電極之間，通過控制面板上的油壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓頭位置，對(duì)粉末進(jìn)行加壓處理，然后關(guān)閉真空艙門，抽真空至要求值后通入脈沖電流進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)。脈沖大電流直接施加于導(dǎo)電石墨模具和樣品上，通過樣品及間隙部分電流激活晶粒表面，在孔隙間局部放電，產(chǎn)生等離子體，粉末顆粒表面被活化、自發(fā)熱燒結(jié)，同時(shí)模具壓頭對(duì)試樣進(jìn)行傳熱傳壓，試樣開始收縮，密度增大，并隨著溫度的升高而進(jìn)一步增大直至燒結(jié)完成[7-10]。

燒結(jié)致密化過程可在很短時(shí)間內(nèi)完成，一般可控制在30 min內(nèi)?？焖偌訜岷捅貢r(shí)間短是SPS的主要特點(diǎn)，可有效控制燒結(jié)過程以及晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象，SPS燒結(jié)WC-Co硬質(zhì)合金燒結(jié)過程大致可分為四個(gè)階段[11-12]，如圖2所示。

第Ⅰ階段為燒結(jié)預(yù)備階段，溫度低于800℃，燒結(jié)體基本不發(fā)生收縮量；階段Ⅱ發(fā)生在800~1000℃之間，燒結(jié)體開始收縮，但收縮量較小；階段Ⅲ發(fā)生劇烈收縮，溫度范圍約為1 000~1 150℃，此階段合金致密度顯著提高，壓頭位移量迅速增大；隨著燒結(jié)溫度的繼續(xù)升高，視為第Ⅳ階段，合金致密化程度基本保持不變，影響合金致密化過程的主要因素為燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間[13-14]。

圖2 SPS燒結(jié)WC-Co硬質(zhì)合金燒結(jié)過程Fig.2 Sintering process of WC-Co cemented carbides by SPS

2 研究現(xiàn)狀

作者借助科技文獻(xiàn)檢索平臺(tái)，重點(diǎn)查找了近年采用SPS技術(shù)制備鎢鈷硬質(zhì)合金方面的國內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行整理和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)與SPS技術(shù)在硬質(zhì)合金制備有設(shè)備、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力及其他等主要影響因素，文獻(xiàn)檢索結(jié)果如表1所示。

表1 國內(nèi)外SPS技術(shù)制備鎢鈷硬質(zhì)合金文獻(xiàn)分布Tab.1 Literature distribution of W/Co cemented carbides prepared by SPS at home and abroad

近幾年來針對(duì)SPS制備硬質(zhì)合金研究重點(diǎn)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）SPS燒結(jié)溫度對(duì)硬質(zhì)合金顯微組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響是重點(diǎn)研究對(duì)象。大多文獻(xiàn)認(rèn)為，隨著燒結(jié)溫度的提高，越有利于增加樣品致密化程度，但同時(shí)會(huì)使WC晶粒發(fā)生異常長(zhǎng)大；（2）針對(duì)燒結(jié)壓力的影響文獻(xiàn)研究數(shù)量較少，壓力的作用在于促進(jìn)粉末顆粒移動(dòng)重排，減少樣品孔隙，有利于提高壓坯密度；（3）目前SPS燒結(jié)設(shè)備的測(cè)溫裝置均采用熱電偶與紅外測(cè)溫儀相相合的測(cè)溫系統(tǒng)，在溫度測(cè)量、溫度分布等方面存在一定局限性，對(duì)SPS設(shè)備研究較少。

2.1 燒結(jié)溫度的影響

鎢鈷硬質(zhì)合金主要由堅(jiān)硬、耐磨的WC和具有良好韌性的Co組成，使用傳統(tǒng)的真空、低壓燒結(jié)技術(shù)制備硬質(zhì)合金時(shí)，為使致密化接近最好、盡量消除孔隙，燒結(jié)溫度須超過W-Co-C系統(tǒng)的共晶溫度1 320℃，圖3為W-Co-C三元系沿Co-WC線的垂直截面示意圖，此時(shí)Co已被熔化，產(chǎn)生液相，有利于填充孔隙促進(jìn)合金致密化[15-17]。但液相燒結(jié)過程中，WC相會(huì)發(fā)生溶解-析出現(xiàn)象，使得WC晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)在此高溫下，WC顆粒之間易發(fā)生固相燒結(jié)，顆粒黏結(jié)長(zhǎng)大，影響合金組織結(jié)構(gòu)和性能[1，18-20]。

圖3 Co-WC偽二元相圖Fig.3 Pseudo-binary phase diagram of Co-WC

SPS技術(shù)由于快速、低溫、高壓等特點(diǎn)，用于燒結(jié)制備鎢鈷硬質(zhì)合金時(shí)，可控制燒結(jié)在溫度低于共晶溫度下進(jìn)行，此時(shí)粉末進(jìn)行固相燒結(jié)，或者在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)液相[4-5]。

在SPS過程中，粉末的燒結(jié)致密化過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)物質(zhì)遷移聯(lián)結(jié)過程，遷移的本質(zhì)是擴(kuò)散，主要受到溫度的影響。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)溫度的影響進(jìn)行了研究。史曉亮[21]等人將噴霧熱解，連續(xù)還原碳化工藝制備的WC-6.29Co復(fù)合粉用SPS技術(shù)在1100℃下燒結(jié)制備出WC平均晶粒度小于400 nm的超細(xì)硬質(zhì)合金，相對(duì)密度達(dá)到99.0%，橫向斷裂強(qiáng)度（TRS）超過2 740 MPa，HRA超過93.8；宋曉艷[22-23]對(duì)比了SPS與熱等靜壓（HIP）兩種燒結(jié)方式制備的超細(xì)硬質(zhì)合金性能，認(rèn)為SPS燒結(jié)在1 200℃下燒結(jié)合金的硬度大于HIP燒結(jié)的合金，但斷裂韌性要小，同時(shí)指出SPS燒結(jié)易產(chǎn)生脫碳相（Co6W6C，稱為“η相”），WC晶粒更細(xì)，制備的產(chǎn)品性能如表2所示。

表2 不同燒結(jié)方法制備的超細(xì)硬質(zhì)合金性能Tab.2 Properties of ultrafine cemented carbides prepared by different sintering methods

宋曉艷[24]還對(duì)比了兩種燒結(jié)工藝制備的硬質(zhì)合金中重合點(diǎn)陣Σ2晶界的數(shù)量，SPS為HIP的三倍多，有利于提高合金性能，同時(shí)提出可利用WC/WC、WC/Co的鄰接數(shù)替代WC晶粒和Co相平均自由程來研究硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。I.A. Perezhogin等人[25]利用短時(shí)脈沖電流合成了WC粉，并對(duì)其中的Σ2晶界進(jìn)行了測(cè)量分析，認(rèn)為Σ晶界的形成與W的碳化過程、機(jī)理存在很大關(guān)系。本文作者認(rèn)為不同方法制備的合金中Σ晶界差異產(chǎn)生的原因在于WC晶粒長(zhǎng)大過程和機(jī)制不同，導(dǎo)致WC/WC、WC/Co鄰接度存在較大差異，在宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)的差異。

Cha S I等人[4]利用SPS技術(shù)在1 100℃溫度下成功制備出了納米晶WC-10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Co硬質(zhì)合金，并且指出燒結(jié)是在液態(tài)下發(fā)生的；但是Sivaprahasam等人[5]同樣在1 100℃溫度下燒結(jié)制備了納米晶WC-12%Co硬質(zhì)合金（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），認(rèn)為即使在WC顆粒之間的Co粘結(jié)相存有液相的形貌特點(diǎn)，粉末還是只發(fā)生了固相燒結(jié)；Mirva Eriksson[1]等人指出如果SPS燒結(jié)溫度過高（接近1 320℃），燒結(jié)樣品內(nèi)會(huì)存在較大的溫度梯度，一般有220~ 270℃的差距；但Huang S G[26]分別在燒結(jié)系統(tǒng)中石墨模具的外表面和接近樣品中間的位置進(jìn)行測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)位置最大溫差約為150℃，同時(shí)盡管可觀察到WC晶粒具有液相燒結(jié)的形貌出現(xiàn)，Huang S G仍然認(rèn)為在此溫度下發(fā)生的為固相燒結(jié)；宋曉艷等人[27]假設(shè)WC與Co組成聯(lián)合顆粒且內(nèi)部溫度均勻，考慮了顆粒度、電阻率、原子體積、比熱容和顆粒密度等因素，推導(dǎo)出SPS時(shí)樣品升溫公式如公式（1）所示。通過公式（1）計(jì)算并與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證認(rèn)為，在燒結(jié)過程中，附著在WC顆粒表面的薄Co層受到更高的溫度，WC顆粒受到的熱量來自Co層向其傳輸，在這個(gè)微區(qū)范圍內(nèi)WC-Co系統(tǒng)發(fā)生液相燒結(jié)，WC/Co之間形成燒結(jié)頸[28]，這正好可以解釋Cha S I[4]和Sivaprahasam[5]兩個(gè)研究結(jié)果的矛盾。

式中：ΔTp為樣品溫值，Ip為電流，Cp為聯(lián)合顆粒恒定體積下比熱容，Rp為聯(lián)合顆粒電阻，Δt為電流通過的時(shí)間，Vp顆粒體積。

N.AL-Aqeeli[29-31]往粉末中添加VC和Cr3C2，然后利用SPS在1 200℃和1 300℃下進(jìn)行燒結(jié)，研究了不同溫度下，添加不同晶粒長(zhǎng)大抑制時(shí)壓坯的致密化行為，及其對(duì)性能的影響，分析了SPS燒結(jié)時(shí)的物質(zhì)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和Co相的比濃黏度，并指出VC能有效抑制WC晶粒的生長(zhǎng)，但易產(chǎn)生孔隙，降低致密度，Cr3C2能提高合金的硬度和致密度[32-34]，具有相同組元的合金，燒結(jié)溫度越高維氏硬度越大。由于燒結(jié)試樣溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量存在較大困難，但可以確定的是SPS能有效避免WC晶粒異常長(zhǎng)的情況，使合金性能得到增強(qiáng)[1，35]。

盡管SPS燒結(jié)具有快速、低溫等優(yōu)點(diǎn)，但WC晶粒度仍會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大[4]，這是因?yàn)樵谟操|(zhì)合金燒結(jié)過程中，WC晶粒的長(zhǎng)大是通過表面擴(kuò)散、體積擴(kuò)散和微量的溶解－析出來完成的，在較低的溫度時(shí)，表面擴(kuò)散作用較為明顯，而當(dāng)溫度升高，體積擴(kuò)散占到主導(dǎo)地位，同時(shí)溶解－析出機(jī)制也在起作用[29]。目前鮮有能制備出WC晶粒度小于200 nm的報(bào)道，Wang Xingqing等人[36]在1 150℃下保溫5 min，制備出WC晶粒度為275 nm的合金，若在粉末中添加晶粒長(zhǎng)大抑制，則有望得到晶粒更細(xì)的合金；Zhao S X等人[37]的試驗(yàn)研究表明，不管WC原始晶粒是幾個(gè)十納米還是上百納米，經(jīng)過燒結(jié)后，其晶粒均會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，約至0.4~0.8 μm。本文作者近期研究SPS燒結(jié)溫度對(duì)晶粒度的影響，結(jié)果表明WC晶粒度均會(huì)長(zhǎng)大，且在相同壓力、保溫時(shí)間的條件下，溫度越高晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象越明顯，如圖4所示。圖4（a）燒結(jié)溫度1 200℃，圖4（b）燒結(jié)溫度1 350℃。當(dāng)溫度達(dá)到1 300℃以上時(shí)，甚至出現(xiàn)Co相熔化成液相然后流出石墨模具現(xiàn)象，導(dǎo)致合金中粘結(jié)相低于配料時(shí)的預(yù)設(shè)值。

Sunkyu Lee[38]等人利用SPS技術(shù)在1 400℃和1 450℃下，保溫10 min燒結(jié)制備了WC-5/10%Co硬質(zhì)合金（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），盡管在如此高的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，文獻(xiàn)中并未說明Co相是否有流失現(xiàn)象；Rumman Md Raihanuzzaman[39]在1 350℃、50 MPa、保溫10 min的條件下，制備出WC晶粒約2 μm的WC-7.5%Co硬質(zhì)合金（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），作者特意利用1 350℃的燒結(jié)溫度以使Co發(fā)生液相燒結(jié)，增強(qiáng)WC溶解-析出機(jī)會(huì)及遷移速率。

圖4 不同溫度燒結(jié)的WC-Co硬質(zhì)合金Fig.4 WC-Co cemented carbides sintered at different temperatures

2.2 壓力的影響

SPS壓力在燒結(jié)過程中主要作用在于促進(jìn)粉末顆粒移動(dòng)重排、減少孔隙，并通過提升壓坯的密度以增加燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力[40]。宋曉艷等[6]分析了燒結(jié)溫度與壓力合金致密度、顯微組織和性能的影響，結(jié)果表明隨著燒結(jié)壓力的增大，試樣致密度與硬度有顯著提高，但對(duì)粗顆粒粉的晶粒尺寸影響不大，斷裂韌性得到提高；Rumman Md Raihanuzzaman[41]在1 350℃的燒結(jié)溫度條件下研究了SPS過程中壓力對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金顯微組織結(jié)構(gòu)性能的影響，并得到合金SEM圖和壓力-維氏硬度-斷裂韌性關(guān)系圖（圖5、圖6），分析認(rèn)為隨著壓力的增加，合金中孔隙大小、孔隙數(shù)量均會(huì)減小，合金的硬度和韌性增大，燒結(jié)壓力是通過影響合金的孔隙量、裂紋的起源數(shù)量和傳播方式、WC晶粒分布和Co相分布來對(duì)性能產(chǎn)生影響的。

孫蘭[42]將燒結(jié)溫度設(shè)定為1 200℃，較為系統(tǒng)地研究了壓力對(duì)超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金性能的影響，結(jié)果如圖7所示，認(rèn)為當(dāng)壓力在40~55 MPa時(shí)，WC晶粒相對(duì)較小且分布均勻，綜合力學(xué)性能較好，其結(jié)果與文獻(xiàn)[41]的有偏差，這是由于燒結(jié)溫度不同導(dǎo)致的。

圖5 不同燒結(jié)壓力制備的合金SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photos of alloy under different sintering pressures

圖6 燒結(jié)壓力對(duì)合金維氏硬度、斷裂韌性的影響Fig.6 Effect of sintering pressure on the Vickers hardness and fracture toughness of the alloy

圖7 不同燒結(jié)壓力下WC-11%Co樣品的相對(duì)密度、維氏硬度變化曲線Fig.7 Variation curves of relative density and Vickers hardness for WC-11%Co samples under different sintering pressures

李志林等[43]采用SPS制備了WC-12Co硬質(zhì)合金，主要研究了壓力（30 MPa、50 MPa）對(duì)合金致密化、顯微組織及性能的影響，運(yùn)用公式（2）計(jì)算WC平均晶粒尺寸[44]，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

式中：K為矯頑磁力，kA/m；WCo為鈷含量，%；C1、C2、d1和 d2為常數(shù)，分別為 7.873、－3.421、－0.125和0.665。

通過分析認(rèn)為提高SPS燒結(jié)壓力能增加合金密度但WC晶粒長(zhǎng)大明顯，原因在于提高壓力有利于增大粉末顆粒的表面及內(nèi)部原子擴(kuò)散速率，增強(qiáng)物質(zhì)遷移和晶界移動(dòng)，導(dǎo)致WC晶粒長(zhǎng)大；同時(shí)認(rèn)為在較低溫度和較短保溫時(shí)間下，壓力對(duì)密度的影響更為顯著，在1 150℃、保溫5 min條件下，壓力對(duì)樣品密度影響不大。壓力對(duì)合金性能的影響是通過對(duì)密度和WC晶粒度的影響而起到作用的。

趙靜[12]研究了燒結(jié)壓力對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響表明，隨著壓力的提高，WC晶粒越細(xì)，Co相分布也更加均勻，但當(dāng)壓力超過一定值后反而會(huì)惡化晶粒組織；分析認(rèn)為當(dāng)壓力過大時(shí)，將引起燒結(jié)體的分層和開裂，致使晶粒粗化，組織分布均勻性降低，致密性降低，文中認(rèn)為壓力為20 kN時(shí)較為理想，所用模具直徑為30 mm。

表3 SPS燒結(jié)制備的超細(xì)硬質(zhì)合金性能Tab.3 Properties of ultrafine cemented carbides sintered by SPS

2.3 SPS技術(shù)其他方面的應(yīng)用

Antonio Mario Locci等人[45]用SPS技術(shù)，以W、C、Co元素為原料一步法合成和燒結(jié)出了WC-6Co硬質(zhì)合金，相對(duì)密度達(dá)到99%，硬度14.97±0.35 GPa，同時(shí)對(duì)合成燒結(jié)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，指出W2C中間相是碳化過程中第一個(gè)出現(xiàn)的碳化物相；史曉亮[46]利用SPS技術(shù)將鍍W后的金剛石粉涂覆在超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金表面，在燒結(jié)過程中，鍍上的W與C反應(yīng)生成WC起到穩(wěn)定、聯(lián)結(jié)金剛石和硬質(zhì)合金的作用；劉文彬[11]等以氧化鎢、氧化鈷和碳黑為原料，在SPS系統(tǒng)內(nèi)原位還原-碳化并快速燒結(jié)制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)WC-6%Co的硬質(zhì)合金，整個(gè)過程包括預(yù)熱、還原和碳化、燒結(jié)和保溫階段，研究了平衡反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和分步反應(yīng)過程，指出復(fù)合粉致密化開始于804℃，于1 175℃時(shí)固相致密化結(jié)束，燒結(jié)溫度、壓力和保溫時(shí)間明顯影響WC晶粒尺寸及尺寸分布，進(jìn)而影響合金性能。

鄭東海[47]利用SPS技術(shù)制備了陶瓷顆粒/晶須增韌WC復(fù)合材料，研究了不同SPS燒結(jié)工藝、引入ZrO2、Al2O3顆粒對(duì)WC材料的增韌行為和機(jī)制，文中指出燒結(jié)壓力的作用主要在于促進(jìn)顆粒重排，提高壓坯密度以增加燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力；同時(shí)運(yùn)用SPS“原位生成”技術(shù)制備了自生β－Si3N4晶須增韌的無黏結(jié)相WC材料，分析了不同添加物的增韌機(jī)制；胡可[48]利用SPS技術(shù)制備了細(xì)晶93W-5.6Ni-1.4Fe高比重合金，研究了混合粉末致密化與晶粒長(zhǎng)大過程和機(jī)制，指出SPS過程大致可分為三個(gè)階段：SPS初期，主要發(fā)生顆粒重排與燒結(jié)頸形成和長(zhǎng)大；SPS中期，發(fā)生黏性流動(dòng)輔助下的W在黏結(jié)相中溶解-再析出過程和W晶界擴(kuò)散共同主導(dǎo)致密化與晶粒長(zhǎng)大；SPS后期，致密化停滯但W晶粒迅速長(zhǎng)大；同時(shí)認(rèn)為，提高SPS加熱速率可以增強(qiáng)黏性流動(dòng)作用，增加粉末的致密化速率，促進(jìn)SPS后期致密化并降低表面擴(kuò)散，抑制W晶粒長(zhǎng)大。

3 問題和展望

SPS屬于快速成型燒結(jié)新技術(shù)，具有不可取代的優(yōu)點(diǎn)，通過SPS技術(shù)有望制備出性能更加優(yōu)異的硬質(zhì)合金材料。本文作者近期對(duì)SPS燒結(jié)制備硬質(zhì)合金進(jìn)行了研究，并結(jié)合文獻(xiàn)研究現(xiàn)狀和觀點(diǎn)，綜合考慮，以下三個(gè)方面將是SPS在硬質(zhì)合金制備研究中的重點(diǎn)發(fā)展方向：

（1）在SPS燒結(jié)時(shí)，WC晶粒的長(zhǎng)大是通過表面擴(kuò)散、體積擴(kuò)散和微量的溶解－析出完成的。但在不同的燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力等條件下，何種機(jī)制占主導(dǎo)地位、晶粒長(zhǎng)大過程控制和主導(dǎo)擴(kuò)散或溶解-析出行為的動(dòng)力學(xué)研究尚不完善。

（2）常用SPS設(shè)備采用K型熱電偶與紅外測(cè)溫儀相結(jié)合的測(cè)溫系統(tǒng)，由于K型熱電偶精確測(cè)溫范圍在800℃以下，且溫度超過1 000℃時(shí)，熱電偶易損壞；而紅外測(cè)溫儀一般在900℃以上才準(zhǔn)確，SPS技術(shù)燒結(jié)硬質(zhì)合金時(shí)溫度多在1 100~1 300℃之間，使得燒結(jié)溫度曲線中有一段缺失。

（3）溫度在燒結(jié)中至關(guān)重要，如何能正確測(cè)量出樣品表面與內(nèi)部的溫度梯度和溫度分布情況，對(duì)燒結(jié)致密化、晶粒長(zhǎng)大等過程和機(jī)理研究將十分有益。

綜上所述，將SPS制備技術(shù)應(yīng)用于硬質(zhì)合金制備研究，能制備出組織結(jié)構(gòu)均勻，性能優(yōu)異的產(chǎn)品。隨著SPS技術(shù)的不斷發(fā)展，將在硬質(zhì)合金制備中得到更加廣泛的應(yīng)用。

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Research Status of WC-Co Cemented Carbide Prepared by Spark Plasma Sintering

GUO Sheng-da1,YI Jian-hong1,2,BAO Rui1
(1.Faculty of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,Yunnan,China;2.State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)

WC-Co cemented carbide has been widely used due to its excellent properties,such as hardness,wear resistant,strength and fracture toughness.Sintering is the final and most important step for the preparation of cemented carbides with rapid developments in recent years.The summarization of the research status and development trends of cemented carbide indicated that the research on SPS technology has focused on the temperature factor with very small studies on the influences of pressure and atmosphere on micro structure and mechanical properties of the alloy.The prospect of SPS technology on cemented carbide is then put forward.

cemented carbide;spark plasma sintering;sintering temperature;pressure;equipment

TF125

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.06.007

2015-09-13

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（KKGA201251011）；云南省科技廳面上項(xiàng)目（2015FB127）

郭圣達(dá)（1983－），男，江西贛州人，博士研究生，主要從事鎢基粉末冶金及性能檢測(cè)研究工作。

易健宏（1965－），男，湖南株洲人，教授，博導(dǎo)，主要從事粉末冶金研究工作。