WC诱导TiB2–TiC–CoNi金属陶瓷形成核-环结构协同提升强韧性的机制研究

为解决TiB2基金属陶瓷强韧性不足的难题，中南大学团队通过真空烧结制备WC改性的TiB2–TiC–CoNi体系，发现WC促进TiC–(Ti,W,Co,Ni)C核-环结构形成，界面全共格特性使弯曲强度与断裂韧性分别提升至1697 MPa和11.70 MPa·m1/2，为高性能切削工具材料设计提供新思路。

　　

随着现代工业对切削工具性能要求的不断提升，传统TiB₂基金属陶瓷虽具有高硬度，但韧性和强度不足制约其实际应用。既往研究尝试通过添加高熵合金或调控烧结工艺改善性能，但效果有限。核-壳结构设计在TiC基材料中已被证实可增强界面结合，然而该策略在TiB₂基体系的适用性尚不明确。

中南大学研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，系统考察了WC添加量（0-12.5 wt.%）对TiB₂–25TiC–20CoNi体系的影响。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电子探针（EPMA）和透射电镜（TEM）分析，结合三点弯曲和压痕断裂韧性测试，揭示了WC诱导的微观结构演变规律。

关键实验技术
研究采用粉末冶金法制备系列样品，通过真空烧结（1480°C）获得致密材料。利用阿基米德法测定密度，维氏硬度计和洛氏硬度计评估力学性能，结合EPMA元素分布分析和TEM界面表征解析微观结构。

研究结果

1. 核-环结构形成机制
   WC添加促使TiC核心外围形成(Ti,W,Co,Ni)C环状结构，两者均为面心立方（FCC）结构且界面完全共格。随着WC含量增加至7.5 wt.%，环相体积分数提升至32.8%，同时出现W富集粘结相和W₃Co₃C脱碳化合物。

2. 力学性能非线性变化
   当WC含量为7.5 wt.%时获得最优综合性能：弯曲强度达1697 MPa（较未添加WC提升15.4%），断裂韧性11.70 MPa·m^1/2，此时穿晶断裂比例显著增加。过量WC（12.5 wt.%）导致相对密度下降至97.2%，性能回落至1443 MPa和10.25 MPa·m^1/2。

3. 多尺度强化机理
   TEM分析显示核-环界面无位错聚集，能量色散X射线谱（EDS）证实W元素梯度分布。第一性原理计算表明，(Ti,W,Co,Ni)C环相可缓解TiC与粘结相的热膨胀失配，界面结合能提升27%。

结论与展望
该研究首次阐明WC在TiB₂–TiC双硬相体系中的结构调控作用：通过形成全共格核-环结构，实现应力传递优化和裂纹偏转增效。性能峰值对应的7.5 wt.% WC添加量，为开发新型金属陶瓷提供明确成分窗口。未来可进一步研究核-环结构在高温服役条件下的稳定性，推动其在航空航天刀具领域的应用。