《Powder Technology》：Mechanistic investigation of process parameters in wet ball milling of WC-Co cemented carbide powders
编辑推荐：
•采用不同方法标定碳化钨（WC）与钴（Co）粉末的接触参数。•建立双向耦合的DEM-CFD模型，捕捉湿磨过程中球-粉-液之间的相互作用。•球料比、乙醇体积和填充比通过不同机制改变碰撞路径。•工艺参数共同作用，调节湿球磨过程中的能量传递。•实验所得球料比变化趋势支持了基于模拟的
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采用不同方法标定碳化钨（WC）与钴（Co）粉末的接触参数。
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建立双向耦合的DEM-CFD模型，捕捉湿磨过程中球-粉-液之间的相互作用。
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球料比、乙醇体积和填充比通过不同机制改变碰撞路径。
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工艺参数共同作用，调节湿球磨过程中的能量传递。
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实验所得球料比变化趋势支持了基于模拟的机理阐释。
引言
粉末冶金仍是制造WC-Co硬质合金的主导工艺路线，通常包括粉末混合与球磨、压密、脱蜡和液相烧结等阶段。其中，粉末混合与球磨决定了WC和Co的粒径分布及空间均匀性，从而强烈影响后续的致密化、晶粒生长及力学性能。Tang等人[1]证明了粉末加工、微观结构与高硬度WC-Co工具材料性能之间的紧密联系。Mégret等人[2]研究了球磨介质和转速对WC-10Co的影响，而Mohammadzadeh和Kavanlouei[3]考察了球磨WC-Co粉末的晶相与微观结构演变。与干磨相比，湿球磨引入液相，可抑制粉末冷焊和局部过热，但也会改变碰撞模式和能量耗散路径。Fayyaz等人[4]比较了干磨和湿磨对WC-Co原料的影响，Kushimoto等人[5]开发了湿搅拌球磨的基于模拟的设计方法。综合这些研究可知，WC-Co粉末的细化以及所得硬质合金的性能，受湿磨过程中磨介、粉末与液相的耦合运动、碰撞及能量传递行为的强烈影响，这表明有必要同时考察磨内动力学及其对最终材料的影响。
由于湿球磨的有益效果源于磨介、粉末与液相之间复杂的相互作用，理解该工艺需要同时考虑其内部动力学及其对最终材料的影响。因此，以往的研究通过互补的实验与数值方法对球磨过程进行了考察。Rodriguez等人[6]利用离散元模拟分析了球磨机中物料运动与能量传递。Yang等人[7]综述了增材制造WC-Co硬质合金的加工，而Wang等人[8]研究了放电等离子烧结超细WC-Co刀具的加工性能。Yamamoto等人[9]采用放大粒子离散元方法（DEM）模型再现了湿磨过程中的微珠运动。García等人[10]、Zhang等人[11]、Ortner等人[12]和Liu等人[13]进一步阐明了微观结构、合金化添加、技术发展及界面特性对硬质合金性能的影响。近年来，Yu等人[14]提出了装球优化方法，Tanneru等人[15]开发了用于湿搅拌介质的耦合计算流体动力学（CFD）-DEM模型，Yu等人[16]将机器学习应用于球磨分析，Kozawa等人[17]揭示了碰撞方向对湿机械化学反应的影响。总体而言，这些研究推进了对球磨过程的理解与优化。然而，实验研究主要关注粉末特性和最终材料性能，而数值研究则主要考察磨介运动与工艺动力学。因此，颗粒尺度能量传递行为与WC-Co产品性能之间的联系仍不够明确。
为弥补这一空白，离散元方法（DEM）提供了一种有效手段，可解析难以直接测量的内部磨内动力学与能量传递过程。Cundall和Strack[18]建立了基本的离散数值框架，随后Mishra和Rajamani[19]、[20]将DEM应用于回转磨。Kano及其合作者[21]、[22]将计算的冲击能与粉末特性变化及粒度减小速率联系起来，而Cleary[23]、[24]则研究了物料运动、功耗、偏析和磨损。对于液体辅助球磨，Kondo等人[25]、[26]将实验研磨结果与DEM计算的冲击能分布相关联；Soda等人[27]开发了一种磨损预测方法。由于直接实验难以捕捉封闭磨内瞬态粒子轨迹、碰撞能分布和液相流动，DEM为解析这些内部过程提供了重要工具。尽管如此，现有的DEM研究主要聚焦于磨介运动、冲击能、磨损和功耗，而WC-Co湿球磨中涉及的粉-液耦合机制仍缺乏深入研究。
然而，现有的DEM研究主要聚焦于磨介运动、冲击能、磨损和功耗，而WC-Co湿球磨的颗粒尺度机制仍理解不足。特别是，WC和Co粉末不同的流动与团聚行为很少在同一模型中分别标定，且球料比、乙醇体积和填充比对碰撞及能量传递行为的影响也未被系统区分。数值预测也很少与粉末细化和烧结性能直接关联。为应对这些问题，本研究建立了用于乙醇中WC-Co粉末湿球磨的双向耦合DEM-CFD模型。利用该模型系统研究了三个工艺变量对颗粒运动、碰撞能量传递和液相流动的影响，并通过不同球料比下的球磨与烧结实验表征了球料比依赖的实验响应，评估其与基于DEM的机理阐释的一致性。
各节摘要
DEM-CFD双向耦合模型方法
本文采用耦合的离散元方法-计算流体动力学（DEM-CFD）模拟方法。基于离散元方法的颗粒模拟工具将散装材料离散化为单个颗粒，计算其在接触力、重力等因素作用下的轨迹，从而准确模拟颗粒群体的集体行为[28]、[29]。基于有限体积法的流体模拟工具可高效求解
湿球磨中的三相耦合行为
湿球磨过程的效率和最终产品质量受各种工艺参数复杂相互作用的共同影响。这些参数相互关联、相互制约，共同决定磨介与物料之间能量传递效率、碰撞频率和剪切强度；其中，球料比、乙醇体积和填充比是最关键的三个变量。球料比决定
实验结果与分析
球料比、乙醇体积、填充比、转速和时间等工艺参数均影响球磨过程。在实际球磨操作中，许多参数是固定的，无法更改。例如，本实验中球磨转速和球磨时间无法改变；此外，由于球磨时间和人员安排的实践限制，本实验仅聚焦于球料比。在本章中，
结论
本研究建立了双向耦合的DEM-CFD模型，以阐明湿球磨过程中磨介、WC-Co粉末与乙醇之间的相互作用。系统研究了球料比（BPR）、乙醇含量和填充比对颗粒运动、碰撞能量传递和液相流动的影响。通过粉末表征和烧结体性能评估，进一步对模拟所得的球料比依赖性进行了实验验证。主要结论如下：
CRediT作者贡献声明
彭瑞韬：写作——审阅与编辑，写作——初稿，资源，调查，资金获取。徐正良：写作——审阅与编辑，写作——初稿，监督，资源，项目管理，方法论，形式分析，概念化。唐馨子：写作——审阅与编辑，写作——初稿，验证，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据整理。高江雄：写作——审阅与编辑，方法论，
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52375466、51975504）和湖南省重大科技专项（编号：2026QK2010）的经费支持。
彭瑞韬|徐正良|唐馨子|高江雄|屈志华|赵林峰
