具有核-壳结构的Ti(C,N)-(Ti,W,Re)(C,N)-(W-Re)金属陶瓷的微观结构、力学性能及高速切削特性研究

为解决难加工材料在高温切削中工具性能不足的问题，Takashi Murakami团队通过火花等离子烧结(SPS)技术制备了含Re改性的Ti(C,N)-(Ti,W,Re)(C,N)-(W-Re)金属陶瓷(TWR)。研究发现，TWR工具在800 m/min高速切削S32750超级不锈钢时表现出优异的抗压强度(6000 MPa)和寿命，其性能提升源于Re固溶强化和界面Re富集相的形成。该研究为开发超高温工具材料提供了新思路。

　　

在航空航天、能源装备等领域，镍基高温合金、钛合金等难加工材料的广泛应用对切削工具提出了严峻挑战。传统硬质合金工具在超过1000°C的高温下强度急剧下降，而纯陶瓷工具又面临脆性大、易断裂的问题。更棘手的是，现代制造工艺要求切削速度达到800 m/min以上——这比常规不锈钢加工速度快4-8倍，使得工具尖端温度可突破1000°C。如何开发兼具高温强度、韧性和耐磨性的工具材料，成为制约高端装备制造的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，研究人员将目光投向了钨(W)和铼(Re)这对"高温黄金搭档"。W的熔点高达3422°C，是替代传统钴(Co)、镍(Ni)金属粘结相的理想选择；而Re的加入不仅能提升W的室温韧性，还能降低烧结温度。通过创新性地将这两种元素与Ti(C_0.5N_0.5)陶瓷复合，研究团队采用火花等离子烧结(SPS)技术，在1950°C、40 MPa氩气保护条件下，成功制备出具有独特核-壳结构的Ti(C,N)-(Ti,W,Re)(C,N)-(W-Re)金属陶瓷(TWR)。

研究采用了多项关键技术：通过SEM/TEM-EDS联用技术解析微观结构；采用阿基米德法测量密度；基于JIS R 1607标准通过压痕断裂法评估断裂韧性(K_IC)；在空气和氩气环境中分别进行室温和1700°C压缩测试；最后通过干切削S32750超级双相不锈钢圆棒(切削速度800 m/min)评估工具性能。

【微观结构特征】
TEM分析揭示TWR材料呈现典型的Ti(C,N)核-(Ti,W,Re)(C,N)壳结构，壳层中W、Re、C含量显著高于核相。令人惊讶的是，在壳/壳界面处发现了纳米级Re富集相，这种特殊界面结构可能通过钉扎效应抑制晶界迁移。XRD显示材料主要由Ti(C,N)基陶瓷相和W-Re合金相组成，未检测到脆性W₂C相。

【力学性能突破】
室温测试中，含Re试样(40WRe-60WRe)抗压强度达6000 MPa，是纯Ti(C,N)试样(0W)的3倍。有趣的是，虽然Re显著提高了强度，但对断裂韧性影响不大，这与块体W-Re合金的规律不同，研究者认为这与界面Re富集相的脆性特征有关。1700°C高温下，TWR试样表现出优异的塑性变形能力，而传统试样则发生脆性断裂。

【切削性能飞跃】
在实际切削测试中，60WRe工具寿命最长，比传统工具延长2倍以上。SEM-EDS分析发现磨损表面仅有微量Fe、Cr粘附，XPS则检测到具有润滑作用的ReO₂/ReO₃/WO₃氧化膜，这解释了工具的低磨损率。特别值得注意的是，60WRe工具加工出的工件表面粗糙度最低，显示其优异的尺寸稳定性。

这项发表在《Materials》的研究具有多重意义：首次阐明了Re在Ti(C,N)基金属陶瓷中的固溶强化和界面偏聚机制；开发出同时具备超高强度(6000 MPa)和良好高温塑性的工具材料；通过实际切削验证了材料在极端工况下的可靠性。尽管Re的成本较高，但团队通过优化成分配比(如60WRe中Re含量15.6 wt%)，在性能和成本间取得了平衡。该研究不仅为超高温工具材料设计提供了新范式，其揭示的界面调控策略对开发其他高性能复合材料也具有重要借鉴价值。