ZrC作为形核剂提升原位合成WC形核率的机理与实验验证

针对激光熔覆中WC原位合成形核率低、晶粒粗大的问题，研究人员通过第一性原理计算和实验验证，发现W端WC(0001)/C端ZrC(111)界面因形成W-C混合键（黏附功8.06 J·m-2 ，界面能2.61~2.68 J·m-2 ）可显著降低形核功。添加1.5 wt.% ZrC使WC颗粒数量与含量分别提升159.2%和141.8%，为高性能金属基复合材料开发提供新策略。

　　

研究背景与意义
在金属基复合材料(MMC)领域，碳化钨(WC)因其卓越的耐磨性和高硬度成为重要增强相。然而，激光熔覆过程中WC的严重溶解导致涂层出现气孔、裂纹和晶粒粗化等问题，制约了性能提升。尽管原位合成WC被证实能减少溶解，但其形核驱动力不足常导致WC晶粒粗大、合成含量低——例如Zhang等制备的WC-Ni涂层中，未增强基体区域占比过高；厦门理工学院团队前期研究也发现，即使提高激光扫描速率使WC粒径从20.41μm降至5.05μm，其含量仍无显著改善。如何通过形核剂提升WC形核率，成为突破性能瓶颈的关键。

研究方法与技术路线
厦门理工学院联合团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，结合第一性原理计算与实验验证：

1. 采用VASP软件计算WC/ZrC界面特性（黏附功、界面能），分析电子结构；
2. 通过激光熔覆制备含1.5 wt.% ZrC的WC增强涂层，对比未添加形核剂的对照组；
3. 表征涂层中WC颗粒的分布、尺寸及含量变化。

核心发现

1. 表面能计算
   C端ZrC(111)表面能(2.68 J·m^-2
   )低于W端WC(0001)(3.27 J·m^-2
   )，预示ZrC更易优先析出提供形核位点。

2. 界面特性
   W端WC(0001)/C端ZrC(111)界面展现出最高黏附功(8.06 J·m^-2
   )和最低界面能(2.61~2.68 J·m^-2
   )，归因于界面W-C键的共价-离子混合特性，其形核功降低效应显著优于C-C键主导的界面（界面能7.07~7.62 J·m^-2
   ）。

3. 实验验证
   添加1.5 wt.% ZrC使原位合成WC颗粒数量增至对照组的159.2%，含量提升至141.8%，且粒径分布更均匀，证实ZrC通过降低形核势垒有效促进WC异质形核。

结论与展望
该研究首次从原子尺度揭示了ZrC促进WC形核的电子机制，证实W-C键合界面在降低形核功中的核心作用。实验数据与理论预测的高度吻合，为设计高性能MMC涂层提供了新思路——通过调控异质界面化学键类型优化形核剂选择。未来可进一步探索其他过渡金属碳化物（如TiC、TaC）的形核效应，推动激光熔覆技术在耐磨涂层领域的工业化应用。