• 作者介绍

王辉 教授 (通讯作者)

北京科技大学

北京科技大学教授，博士生导师，新金属材料全国重点实验室副主任。长期从事多孔金属及其复合材料、高熵合金和超高强度钢等高性能结构材料研究，兼任中国造船工程学会船舶材料学术委员会委员，发表SCI论文60余篇，主持多项国家自然科学基金和国家级科研项目，获教育部自然科学一等奖1项，研究成果应用于国家重大工程和重要国防装备。

张骁勇 教授 (通讯作者)

西安石油大学

西安石油大学教授，博士，硕士生导师，副校长。西安石油大学省级优势学科“材料科学与工程”一级学科的学科负责人，“西安市高性能油气田材料重点实验室”主任。长期从事石油工程材料的组织性能控制、焊接、腐蚀与防护方向的教学与研究工作。先后获得省级教学成果一、二等奖各1项，省级科技进步二、三等奖各1项。

奚运涛 教授 (通讯作者)

西安石油大学

西安石油大学教授，博士，硕士生导师，陕西省腐蚀与防护学会副理事长。主要研究方向为油气田腐蚀与防护，极端服役的新材料及表面处理。先后主持或参加国家自然科学基金、国家863、中石油创新基金和横向课题等50余项，荣获中国腐蚀与防护学会科技进步一等奖3项，技术发明二等奖1项，陕西高等学校科学技术研究优秀成果二等奖1项。

沈振昊 (第一作者)

西安石油大学

西安石油大学材料科学与工程学院硕士研究生，主要从事新型高熵硬质合金材料的研究。

• 文章导读

WC-Co硬质合金被誉为“工业牙齿”，是高速切削、矿山钻探等领域不可或缺的工具材料。然而，其硬度和韧性之间往往存在“此消彼长”的固有矛盾：提高硬度通常意味着牺牲韧性，反之亦然。如何让这种材料既“强”又“韧”，是困扰学界和工业界数十年的核心难题。

来自北京科技大学、西安石油大学和西班牙卡洛斯三世大学的研究团队，为破解这一难题提供了全新的思路，通过引入一种新型的高熵碳氮化物 (HECN)——(TiZrHfNbTa) (C, N) 作为增强相，采用放电等离子烧结方法 (SPS) 成功制备出WC-HECN-Co陶瓷高熵复合材料。研究结果表明，仅需添加10%的HECN，便能使陶瓷复合材料在保持高韧性的同时，硬度获得显著提升，维氏硬度达2375 HV30，断裂韧性保持12.9 MPa·m1/2。实现了优异的硬度-韧性协同。这一突破为下一代高性能切削工具的研发开辟了新路径。

• 研究过程与结果

1. 瓶颈与思路：巧用“高熵”效应打破性能悖论

传统的硬质合金改性通常添加VC、Cr₃C₂等单一晶粒生长抑制剂。这些抑制剂虽能细化晶粒提高硬度，但容易在界面形成脆性薄膜，反而导致韧性大幅下降。该团队另辟蹊径，利用了“高熵”材料的独特优势。将传统硬质合金材料与采用机械合金化“磨”出单相HECN粉末 (TiZrHfNbTa) (C, N) 复合，实现复合高熵碳氮化物的硬质合金的高强韧，界面稳定性。

图1. WC-HECN-Co复合粉末的合成流程示意图

XRD分析表明，随着球磨时间增加，各组分逐渐固溶，90小时后形成了均匀的单相 (TiZrHfNbTa) (C, N) HECN粉末。EDS能谱面扫证实，所有五种金属元素分布高度均匀，成功合成出目标高熵相。将不同含量 (0~15%) 的HECN粉末与WC、Co粉末混合，利用放电等离子烧结 (SPS) 技术，在1300 ℃较低的烧结温度下实现快速致密化，得到了一系列块体复合材料。

图2. (TiZrHfNbTa) (C, N) HECN粉末球磨不同时间后的相结构变化

2. 微观结构：晶粒细化与界面应变

烧结后的材料由WC、Co和HECN三相组成，无杂质相。一个有趣的现象是，随着HECN含量增加，WC的衍射峰向高角度偏移。这表明HECN的引入在WC基体中产生压应变。这种压应变源于WC与HECN两者热膨胀系数的不匹配，有助于提升材料的力学性能。

图3. 不同HECN添加量的WC-Co基硬质合金经SPS烧结后的XRD图谱

更重要的是，HECN起到了显著的晶粒细化作用。EBSD分析显示，当HECN含量增至15%时，WC的平均晶粒尺寸从0.54 μm细化为0.39 μm。这是因为HECN颗粒钉扎在晶界，有效抑制了WC晶粒的长大。

图4. 不同HECN添加量的WC-Co基硬质合金的EBSD图像及晶粒度变化，(a) 0 wt.%，(b) 5 wt.%，(c) 10 wt.%，(d) 15 wt.%

3. 10%添加量实现最优力学性能

力学测试结果揭示了HECN含量的决定性影响，HECN含量越高，晶粒越细，材料越致密，硬度也随之单调递增。添加15% HECN时，硬度高达2456 HV30，相对密度达99.8%。断裂韧性则呈现出完全不同的趋势。当HECN含量从0增加到10%时，韧性仅从13.4 MPa·m1/2 略微下降至12.9 MPa·m1/2 (降幅仅3.7%)。然而，当HECN含量增至15%时，韧性骤降至9.9 MPa·m1/2。

图5. 不同HECN添加量下WC-Co基硬质合金的相对密度、硬度与断裂韧性变化趋势

研究表明，不添加HECN的硬质合金样品的裂纹主要沿WC晶界扩展 (沿晶断裂)，路径曲折，通过消耗能量实现增韧。而复合10% HECN的硬质合金，虽然晶粒细化导致裂纹路径变直，但观察断口发现，出现了明显的穿晶解理台阶，这表明HECN的引入改变了断裂模式，从单一的沿晶断裂转变为沿晶-穿晶混合断裂。穿晶断裂需要克服晶体内部的强大键合力，消耗更多能量，从而弥补了因晶粒细化带来的韧性损失。但当HECN达到15%时，过度细化的晶粒使裂纹几乎无法偏转，穿晶增韧效应已不足以抵消其负面作用，从而引起韧性急剧下降。

• 研究总结

本研究成功利用高熵碳氮化物 (TiZrHfNbTa) (C, N) 实现了对WC-Co硬质合金微观组织和力学性能的精准调控，实现了优异的WC-10%HECN-9Co 复合材料硬度-韧性协同，其中维氏硬度达2375 HV30，断裂韧性保持12.9 MPa·m1/2。添加HECN不仅细化WC晶粒，还通过诱导穿晶断裂模式，在适度细化晶粒的同时维持了高韧性。这种兼具高硬度与良好韧性的新型硬质合金，在高速切削、难加工材料加工等极端服役条件下展现出极大的应用潜力，为突破传统硬质合金的性能极限提供了可能。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/1996-1944/19/4/731

• Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2024 Impact Factor：3.2(JCR Q2*)

2024 CiteScore：6.4(Scopus Q1*）

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.6 Days

*JCR Q2 at “PHYSICS, APPLIED” and “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING” Categories

*Scopus Q1  at “Condensed Matter Physics” Category

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials