《Next Materials》：Tailored mechanical and tribological response of Al–WC composites synthesized via powder metallurgy
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本研究针对铝基复合材料在动态磨损环境下的性能需求，通过粉末冶金（P/M）技术，系统研究了不同含量（0, 3, 6 wt%）的微米级WC颗粒对Al-WC复合材料机械与冲蚀磨损性能的影响。结果表明，WC的加入显著提升了材料的硬度（最高达73 HV），并有效调控了磨损机制。研究揭示了WC含量、冲击角度与速度对磨损行为的协同作用，为设计适用于严苛工况的耐磨材料提供了关键理论依据。
在航空航天、汽车制造和国防军工等尖端领域，对材料性能的要求日益严苛。金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）应运而生，它们能够将金属基体的优良特性（如良好的延展性、耐腐蚀性）与陶瓷增强相的卓越性能（如高强度、高硬度）完美结合。其中，铝基复合材料（Aluminum Matrix Composites, AMMCs）因其轻质高强的特点，成为了研究的热点。
然而，传统的增强相如碳化硅（SiC）和碳化钛（TiC）虽然能提升性能，但在极端磨损环境下仍存在局限性。碳化钨（WC）作为一种极具潜力的增强相，凭借其极高的硬度、优异的耐磨性和热稳定性，被认为是替代传统增强相的理想选择。但如何将WC颗粒均匀地分散在铝基体中，并实现牢固的界面结合，是制备高性能Al-WC复合材料的关键挑战。
传统的液态铸造法（如搅拌铸造）虽然工艺简单，但容易导致增强相分布不均、界面反应以及颗粒团聚等问题，严重影响复合材料的最终性能。相比之下，粉末冶金（Powder Metallurgy, P/M）作为一种固相加工技术，能够有效避免上述问题，实现增强相的均匀分布和良好的界面结合。
尽管已有大量研究关注铝基复合材料，但关于Al-WC复合材料，特别是通过粉末冶金法制备的Al-WC复合材料的系统性研究仍然较少。尤其是在冲蚀磨损（Erosion Wear）这一关键性能方面，缺乏对不同WC含量、不同冲击角度和速度下磨损行为的深入探讨。
为了填补这一研究空白，来自Sage University的Pragati Gajbhiye和Sudhir Shrivastava团队在《Next Materials》上发表了一项研究。他们通过粉末冶金技术成功制备了不同WC含量的Al-WC复合材料，并系统评估了其微观结构、机械性能以及在不同工况下的冲蚀磨损行为，揭示了WC增强相在调控材料性能方面的关键作用。
关键技术方法
本研究主要采用粉末冶金（P/M）技术路线。研究人员首先将商业纯铝粉（平均粒径15.5 μm）与微米级碳化钨（WC）粉（平均粒径13.5 μm）按不同质量分数（0, 3, 6 wt%）进行混合，并利用行星式球磨机进行机械混合以确保均匀性。随后，将混合粉末在780 MPa压力下冷压成型，并在氩气气氛中于550 °C下烧结1小时，最终获得致密的复合材料样品。通过阿基米德原理测量实验密度，利用维氏硬度计评估材料的显微硬度。冲蚀磨损测试在空气喷射冲蚀试验机上进行，系统考察了冲击角度（30°, 45°, 60°, 90°）和冲击速度（30, 50, 70, 90 m/s）对磨损率的影响。最后，利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）等手段对材料的微观结构、相组成及磨损表面形貌进行了表征。
研究结果
3.1. 微观结构
研究首先对原料粉末和制备的复合材料进行了微观结构表征。结果显示，纯铝粉和WC粉均具有相对均匀的粒径分布，平均粒径分别为15.5 μm和13.5 μm。光学显微镜和SEM观察表明，通过粉末冶金法制备的复合材料中，WC颗粒在铝基体中实现了均匀分布。随着WC含量的增加，基体晶粒得到细化，表明WC颗粒有效抑制了晶粒长大。然而，当WC含量增加至6 wt%时，SEM图像显示出更粗大的晶粒和更高的孔隙率，这可能是由于增强相含量过高导致致密化过程受阻所致。EDS分析证实了WC颗粒的成功引入，在复合材料中检测到了铝（Al）、钨（W）和碳（C）元素。XRD分析进一步确认了铝基体和WC增强相的存在，未检测到明显的界面反应产物（如Al2O3），表明粉末冶金工艺有效抑制了有害的界面反应。
3.2. 纯铝及制备的AMMCs的机械行为
机械性能测试结果表明，WC的加入显著提升了复合材料的硬度。纯铝的维氏硬度为50 HV，而Al-3WC和Al-6WC复合材料的硬度分别提升至65 HV和73 HV。这种硬度的提升主要归因于弥散强化机制，即硬质的WC颗粒作为位错运动的有效障碍，阻碍了塑性变形。此外，晶粒细化也对硬度提升有所贡献。密度测试结果显示，随着WC含量的增加，复合材料的理论密度和实验密度均有所提高。然而，所有样品的实验密度均略低于理论密度，这主要是由于粉末冶金过程中不可避免的残余孔隙和微孔洞造成的。
4. 冲蚀磨损分析
4.1. 冲击角度的影响
冲蚀磨损行为表现出对冲击角度和WC含量的强烈依赖性。对于纯铝，磨损率在30°冲击角时达到最大值，随后随角度增加而降低，在90°时达到最小值，这是典型的韧性材料冲蚀行为特征。相比之下，Al-WC复合材料的磨损行为发生了显著变化。Al-3WC复合材料在60°冲击角时表现出最低的磨损率，而在90°时磨损率较高，表明其磨损机制向脆性行为转变。Al-6WC复合材料则表现出更复杂的响应，在45°和90°冲击角下均表现出较高的磨损率。这表明，WC的加入虽然提高了硬度，但在高冲击角度下也引入了脆性，导致材料更容易发生局部断裂和颗粒脱粘。
4.2. 速度的影响
冲击速度对磨损率有显著影响。对于所有材料，磨损率均随冲击速度的增加而增加。纯铝表现出典型的韧性磨损特征，磨损率随速度平稳上升。Al-3WC复合材料在低速度（30 m/s）下表现出较高的磨损率，但在中等速度（50 m/s）下磨损率有所下降，随后在高速（70和90 m/s）下急剧上升。Al-6WC复合材料在低速度下表现出较好的耐磨性，但在高速下磨损率迅速增加。这表明，在低至中等速度下，WC颗粒能有效抵抗冲蚀，但在高速冲击下，界面结合强度成为限制因素，容易发生颗粒脱粘和脆性断裂。
4.3. 磨损表面分析
磨损表面的SEM分析清晰地揭示了不同的磨损机制。纯铝的磨损表面呈现出光滑的犁沟和塑性变形带，这是典型的微切削和塑性变形机制。Al-3WC复合材料的磨损表面则显示出犁沟、微裂纹和颗粒脱粘的混合特征，表明其磨损机制为韧脆混合型。Al-6WC复合材料的磨损表面最为粗糙，呈现出深坑、微裂纹和严重的WC颗粒脱粘现象，表明其磨损机制以脆性断裂为主。EDS分析进一步证实了WC颗粒在磨损表面的存在，并揭示了在严重磨损条件下，WC颗粒会发生破碎和脱粘，从而加速材料损失。
结论与讨论
本研究成功通过粉末冶金技术制备了不同WC含量的Al-WC复合材料，并系统评估了其机械性能和冲蚀磨损行为。研究得出以下核心结论：
- 1.
微观结构调控：WC颗粒在铝基体中实现了均匀分布，并有效细化了基体晶粒。然而，过高的WC含量（6 wt%）会导致孔隙率增加和界面结合变差，为后续的磨损行为埋下隐患。
- 2.
机械性能提升：WC的加入通过弥散强化和晶粒细化机制，显著提升了复合材料的硬度。Al-6WC复合材料的硬度比纯铝提高了46%，证明了WC作为增强相的有效性。
- 3.
冲蚀磨损机制的转变：WC的加入从根本上改变了材料的冲蚀磨损机制。纯铝表现为典型的韧性磨损，而Al-WC复合材料则表现出从韧性向脆性的转变。这种转变在Al-6WC复合材料中尤为明显，在高冲击角度和速度下，脆性断裂成为主导机制，导致磨损率急剧上升。
- 4.
性能的权衡：研究揭示了WC含量与冲蚀磨损性能之间的复杂关系。虽然WC能提高硬度和在特定条件下的耐磨性，但过高的含量会引入脆性，降低材料在严苛工况下的服役寿命。因此，优化WC含量对于获得综合性能优异的复合材料至关重要。
这项研究的意义在于，它不仅证实了粉末冶金是制备高性能Al-WC复合材料的有效途径，更重要的是，它深入揭示了WC增强相在调控材料冲蚀磨损行为中的双重作用：既作为耐磨屏障，又作为应力集中源。这为未来设计适用于特定磨损环境（如低角度冲刷或高角度冲击）的定制化铝基复合材料提供了宝贵的理论依据和设计指导。
