基于AlxCuMnMoTi高熵合金粘结剂的超细WC硬质合金：微观结构调控与硬度-韧性协同增强机制

为解决钴(Co)粘结剂在硬质合金中存在的健康风险、高温性能不足等问题，研究人员采用放电等离子烧结(SPS)技术制备了WC-AlxCuMnMoTi高熵合金(HEA)硬质合金。研究发现Al0.5CuMnMoTi粘结剂可使材料同时获得2049 kgf·mm-2硬度和10.2 MPa·m1/2断裂韧性，揭示了Al含量通过抑制WC晶粒生长、提升致密度来优化性能的机制，为开发新一代无钴硬质合金提供了理论依据。

　　

在工业领域，硬质合金堪称"工业牙齿"，其核心组分钨碳化物(WC)与钴(Co)的完美组合创造了硬度与韧性的传奇。然而这种传统材料正面临双重挑战：钴资源被列为战略物资导致供应链不稳定，更棘手的是钴粉尘被确认具有致癌风险。尽管研究者尝试用镍(Ni)或铁(Fe)基合金替代，但这些材料在高温抗氧化性和耐磨性方面始终难以媲美钴基系统。高熵合金(HEA)的出现带来了转机，这类由五种以上主元组成的固溶体合金，凭借"鸡尾酒效应"展现出非凡的耐腐蚀和抗高温软化特性，成为替代钴粘结剂的新希望。

山东理工大学的研究团队在《Materials Characterization》发表的研究中，创新性地采用Al_xCuMnMoTi作为粘结相，通过放电等离子烧结(SPS)技术制备了WC-15%Al_xCuMnMoTi硬质合金。研究采用机械合金化制备五种不同Al含量(x=0-2.0)的HEA粉末，结合X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析相组成与微观结构，通过维氏硬度计和压痕法测试力学性能，系统探究了Al含量对材料性能的影响规律。

Phase and microstructure
XRD分析显示球磨过程导致HEA相衍射峰显著弱化，表明严重晶格畸变的形成。当Al含量为0.5时，材料呈现最均匀的WC晶粒分布(平均尺寸0.82μm)，且相对密度高达98.7%。而Al含量升至2.0时，晶界处出现富Al析出相，导致致密度下降至96.1%。

Conclusions
研究得出三个关键结论：(1)适量Al(x=0.5)通过固溶强化提升HEA粘结相硬度，同时促进烧结致密化；(2)Al元素通过降低WC表面能有效抑制晶粒异常长大，x=0.5样品WC晶粒比无Al样品减小37%；(3)Al含量调控可优化裂纹扩展路径，当x=1.0时裂纹出现明显偏转，使断裂韧性提升至11.3 MPa·m^1/2。

该研究不仅证实了Al_0.5CuMnMoTi作为钴替代粘结剂的可行性，更阐明了HEA组分设计-微观结构-性能的构效关系。特别值得注意的是，提出的"Al含量阈值效应"(x=0.5为最佳值)为后续HEA粘结剂开发提供了明确指导。通过精确控制Al含量，成功实现了硬质合金硬度与韧性的协同提升，这项突破对航空航天领域极端环境用切削工具的开发具有重要应用价值。