WC硬质合金/Cu钎料界面结合性质的第一性原理计算及实验研究

【作者】 刘振伟； 王爱琴； 柳培； 谢敬佩；

【机构】 河南科技大学材料学院；

【摘要】 碳化钨(WC)作为硬质合金的主要成分,由于具有高弹性模量、高硬度和优良的耐磨性,广泛应用于机械加工、地质勘探、矿山等工业领域的刀具及结构件。而当承受较大的振动和冲击时,由于冲击韧性低,易发生断裂,因此常与钢结合使用。目前,钎焊已成为硬质合金与钢连接中应用最广泛的方法。然而,由于填充金属与WC的硬度与热膨胀系数等性质不匹配,以及在硬质合金表面的不完全润湿显著增加了界面缺陷,并在接头处存在较大的残余应力,这将降低接头的结合强度及力学性能。因此,设计具有优异性能的填充金属以实现硬质合金与钢材的高强度连接成为近年来的研究热点。本研究采用第一性原理计算从原子及能量角度探究了WC/Cu基体界面结合性质,并选择合金元素掺杂,通过界面粘附功及电子结构的阐述揭示了合金元素对WC/Cu界面结合强度的增强机理,优化设计了CuZnNiMn填充金属。高分辨电子显微镜实验结果与第一性原理预测吻合。钎焊接头剪切强度233MPa,高于国家标准180MPa,具有良好的力学性能。这项工作不仅为提高硬质合金与钢的高强度连接提供了理论指导,而且对陶瓷钎焊中钎料的成分设计及优化具有重要意义。更多还原