WC-Co硬质合金具有优异的硬度、韧性、耐磨性及抗弯强度等性能,被广泛应用于切削工具、钻探工具、拉拔模具、耐磨涂层等领域。但是,Co是稀缺的战略资源,在众多领域的需求都在不断增加。我国Co资源贫乏,主要依赖进口。为应对Co需求增加和资源稀缺问题,许多学者开展了无Co硬质合金的研究。其中,WC-Al2O3复合材料具有较高的硬度和优异的耐腐蚀性能,是一种有应用前景的无Co硬质复合材料。然而,脆性依然是无Co硬质合金面临的一个重要的共性问题,制约了其进一步的工程应用。近年来,石墨烯因其具有较高的比表面积和优异的力学性能受到了学术界的广泛关注。已有研究表明,石墨烯的引入能够有效改善陶瓷材料的力学性能,其对脆性材料断裂韧性的改善也已经得到了一定的实验验证。同时,石墨烯还具有一定的自润滑特性,为进一步改善材料的摩擦磨损性能提供了可能性。因此,本文作者从“显微组织结构优化”和“力学与摩擦磨损性能同步提高”的角度出发,在WC-Al2O3复合材料中引入石墨烯,以期进一步改善材料的力学性能和摩擦磨损性能。具体研究工作和结果如下:1.研究解决石墨烯在WC-Al2O3复合材料中的分散问题,充分发挥石墨烯的增韧作用。石墨烯分散的难点在于既要克服WC、Al2O3和石墨烯因密度差异所引起的沉降问题,又要保留石墨烯原有的径向尺寸和完整的晶体结构。针对以上问题,选用复合分散工艺,研究获得了WC、Al2O3、石墨烯复合粉末的最佳方案为:用超声波分散石墨烯4h,用行星球磨分散WC-Al2O3复合粉末50h,然后将石墨烯与WC、Al2O3粉末混合再行星球磨4h。研究表明,在无水乙醇中加入10vol%聚乙二醇作为分散剂,可使陶瓷颗粒表面形成包覆效应,降低颗粒间的引力,明显延缓材料在分散液中的沉降速度、改善分层现象。分散结果显示,当石墨烯含量低于0.5wt%时,石墨烯可以在WC、Al2O3复合粉末中分散均匀,且其结构完整性较好、层数较少、径向原始尺寸基本保留;当石墨烯含量高于0.7wt%时,石墨烯之间接触机会增大,在范德华力的作用下,又重新发生了吸附和团聚。2.采用热压烧结制备WC-Al2O3-石墨烯复合材料,获得致密度高、晶粒细小、石墨烯结构基本完整的复合材料。研究石墨烯引入对材料显微组织结构与力学性能的影响。结果表明:石墨烯的引入细化了WC-Al2O3复合材料的晶粒尺寸,并同步提高了材料的硬度和断裂韧性。随着石墨烯的添加,WC晶粒尺寸先减小后增大,硬度和韧性则表现出先增大后减小的趋势;当石墨烯添加量为0.3wt%时,硬度和韧性达到最大值18.78GPa和11.09MPa·m1/2,分别提高了18.7%和40.8%。主要增韧机理在于均匀分布的石墨烯有效阻碍了裂纹扩展,增强了WC-Al2O3复合材料中原有的裂纹偏转、裂纹桥连效应。同时石墨烯的拔出过程进一步消耗断裂能;分布于颗粒间的石墨烯,使得断裂模式由沿晶断裂向穿晶断裂转变,消耗更多的断裂能,进而提高了材料的断裂韧性。3.研究石墨烯添加量对WC-Al2O3复合材料摩擦磨损性能的影响。发现随着石墨烯的添加,摩擦系数和磨损率先减小后增大。与未添加石墨烯的WC-Al2O3复合材料相比,添加0.5 wt%石墨烯时,摩擦系数达到最小值,降低了41.2%;添加0.3 wt%石墨烯时,磨损率达到最小值,降低了64.5%。添加0.3wt%石墨烯时,材料最低的磨损率主要归因于细小的晶粒尺寸和最优的力学性能,此时磨损机理主要为磨粒磨损。添加0.5wt%石墨烯时,石墨烯发生剪切滑移,形成大量层数更少的石墨烯摩擦膜。摩擦膜的润滑作用显著降低了摩擦系数。同时,摩擦膜对磨损面的保护作用,在一定程度上降低了材料的磨损率。4.研究了温度对WC-Al2O3-石墨烯复合材料摩擦磨损性能的影响,进而分析了高温条件下的磨损机理。研究结果表明,摩擦系数随温度的升高呈下降趋势,而磨损率随温度的升高呈上升趋势;石墨烯对WC-Al2O3复合材料的高温耐磨性有显著的改善作用。在高温条件下,WC-Al2O3复合材料力学性能的降低引起了材料表面严重的破碎剥落;高温氧化所形成的WO3降低了摩擦系数。然而,由于WO3的较低的力学性能以及与WC基体热膨胀系数的失配,加速了材料的氧化磨损。此时的磨损机理主要为破碎剥落、磨粒磨损以及氧化磨损。石墨烯的引入改善了材料的高温耐磨性能,其原因在于:均匀分布的石墨烯,阻碍微裂纹扩展和基体颗粒的拔出,减少压实层的剥落;同时,石墨烯与部分WC基体直接接触,阻碍WC与O2的反应,减缓了氧化磨损。如上所述,本文作者通过对石墨烯增韧WC-Al2O3复合材料的研究,发现石墨烯的引入实现了WC-Al2O3复合材料力学性能和摩擦磨损性能的同步提高。在此基础上,分析探讨了石墨烯对WC-Al2O3复合材料的增韧机理,揭示了石墨烯对WC-Al2O3复合材料磨损机理的影响规律,丰富了石墨烯增韧无钴硬质合金材料的研究内容。