ZrO2 颗粒增强粗晶WC-Co硬质合金的断裂强度机制研究

本研究针对粗晶WC-Co硬质合金强度提升难题，创新性地通过将ZrO2 颗粒引入WC晶粒内部，系统探究了ZrC与WC-Co复合粉末添加量对材料性能的影响。研究发现，优化配比下ZrO2 颗粒可抑制WC位错运动并实现应力传递，使合金断裂强度显著提升，为高强金属陶瓷复合材料开发提供了新思路。

　　

在航空航天、电子工程等高端制造领域，金属陶瓷复合材料因其兼具金属的韧性和陶瓷的硬度而备受青睐。其中，WC-Co硬质合金作为典型代表，广泛应用于盾构机、矿山机械等重型装备。然而，随着技术进步，传统粗晶WC-Co合金的强度已难以满足极端工况需求。常规的晶粒细化强化策略对粗晶材料效果有限，而通过传统烧结工艺将第二相颗粒引入强共价键的WC晶粒内部更是业界难题。

针对这一瓶颈，中国研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新研究，提出通过纳米ZrC与WC-Co复合粉末协同作用，在WC晶粒内部原位生成ZrO₂
强化相的新方法。研究采用8μm WC与2μm Co粉末为基体，分别添加50nm ZrC和200nm WC-Co复合粉末，通过真空烧结制备WC-8wt.%Co合金。利用TEM（透射电子显微镜）和EBSD（电子背散射衍射）等技术表征微观结构，结合力学性能测试揭示强化机制。

材料制备
通过调控纳米ZrC（0.2-1.0wt.%）与WC-Co复合粉末（10-30wt.%）的配比，系统研究其对ZrO₂
颗粒尺寸、分布及合金性能的影响。选择纳米ZrC而非ZrO₂
作为前驱体，可避免烧结过程中的异常晶粒长大。

含ZrO₂
颗粒硬质合金的微观结构
TEM显示，添加0.6wt.% ZrC和20wt.% WC-Co复合粉末的样品中，WC晶粒平均尺寸为3.15μm，ZrO₂
颗粒均匀分布于WC晶粒内部。能谱分析证实ZrO₂
颗粒与WC基体存在共格界面。

力学性能与强化机制
三点弯曲测试表明，优化配比样品断裂强度达4300MPa，较未强化合金提升25%。研究发现ZrO₂
颗粒通过两种机制协同作用：一方面抑制WC晶粒内位错滑移，另一方面通过变形协调实现应力转移，延缓裂纹萌生。

该研究首次实现ZrO₂
颗粒在WC晶粒内的可控分布，突破了传统强化方法的局限性。提出的"晶内第二相强化"策略为开发新一代高强粗晶硬质合金提供了理论依据，对延长矿山机械、切削工具等关键部件的服役寿命具有重要工程价值。国家自然科学基金资助的多项项目（52271085、52494942等）为研究提供了重要支撑。