针对传统铜基金属基粘结相在浸渍金刚石钻头中存在的强度限制和粘结相与金刚石之间粘附不足的问题，中南大学刘勇教授及合作者提出了一种新型的高熵合金（HEA）-碳化钨（WC）粘结相。通过设计和使用Cu35Ni25Co25Cr15高熵合金-WC（HEA-WC）粘结相来制备浸渍金刚石复合材料和钻头，与传统的Cu-20wt.%Co-WC（Cu-Co-WC）粘结相比，HEA-WC粘结相展现出更优越的机械性能，更高的硬度和横向断裂强度。此外，HEA-WC粘结相在烧结过程中与金刚石界面发生反应，形成M7C3和M23C6化合物，增强了粘结相与金刚石之间的化学键合和粘附力，从而提高了金刚石的突出高度和自修复特性，显著降低了机械比能和磨损速率，表明HEA-WC粘结相能提高浸渍金刚石钻头的操作效率和使用寿命。相关成果发表在《InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials》上。
实验中使用了高纯度的铜、镍、钴和铬来制备Cu35Ni25Co25Cr15高熵合金锭。合金锭通过气雾化制成粉末，使用的雾化介质为纯度超过99.99%的氩气。复合配方包括17.5体积%的金刚石颗粒（粒径范围为至微米）以及20%的WC粉末（粒径小于15微米）。作为对比，另一组样品使用了传统的Cu-Co合金粘结相。粉末的致密化是在苏州哈腾科技研发的FHP-快速热压炉中进行的。烧结温度和压力分别为°C和50MPa，升温速率为°C/分钟。烧结样品的尺寸为Φ40mm×5mm。浸渍金刚石钻头是在RuiheDiamondTools(Changsha)Co.,Ltd制备的。钻头的外径和内径分别为36.5mm和24.0mm，工作层高度为10mm，壁厚为6.25mm。
实验结果表明，HEA-WC-金刚石复合材料主要显示出双FCC结构的HEA相、金刚石、WC和M23C6化合物。而Cu-Co-WC-金刚石复合材料则主要显示出(Cu,Sn)固溶体相、(Cu,Zn)固溶体相、Co7Fe3金属间化合物、金刚石、WC和W2C。HEA粘结相与金刚石之间的界面反应形成了M7C3和M23C6化合物，而Cu-Co-WC粘结相与金刚石之间没有发生明显的化学反应。
HEA-WC粘结相的硬度和横向断裂强度分别为.19HV和.69MPa，显著高于Cu-Co-WC粘结相的.73HV和.64MPa。浸渍金刚石复合材料的硬度和横向断裂强度也显著高于使用传统粘结相的复合材料。钻孔性能测试结果表明，采用HEA粘结相的浸渍金刚石钻头具有更低的机械比能和磨损速率，表明其具有更高的钻孔效率和更长的使用寿命。
本研究通过引入新型的高熵合金-碳化钨粘结相，成功提高了浸渍金刚石钻头的性能。这种新型粘结相不仅在机械性能上优于传统材料，而且在钻孔过程中显示出更好的耐磨性和钻孔效率。这些发现对于金刚石钻头的设计和制造具有重要意义，有望在科学钻探、能源和矿产勘探等领域带来更高效和更耐用的钻头解决方案。
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