含有多组分（Ti,W,Ta,Nb）碳化物的陶瓷基复合材料的微观结构与力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure and mechanical performance of cermets containing a multicomponent (Ti,W,Ta,Nb)C carbide

多组分碳化物基陶瓷金属复合材料通过调控硬相成分和微观结构，形成双FCC架构（硬相嵌于金属基体），优化MCC/Ni界面匹配（晶格失配约7.3%），实现强度与韧性协同提升，硬度1305 HV，抗拉强度2361 MPa，断裂韧性15.13 MPa·m1/2。

　　

程倩|刘勇|李坤|黄俊|沈梦光|程慧超

中南大学冶金与环境学院，中国长沙410083

摘要

陶瓷材料的强度-韧性协同效应有限，这主要源于传统硬质相本身的脆性。本文采用一种多组分碳化物（MCC），即(Ti,W,Ta,Nb)C，作为代表性硬质相，系统研究了陶瓷材料的微观结构演变和力学性能。研究结果表明，基于MCC的陶瓷材料采用了双FCC结构，其中FCC硬质相嵌入在FCC金属粘结剂中。与TiC和(Ti,W)C基体系相比，(Ti,W,Ta,Nb)C基陶瓷材料形成了精细的“细核/薄缘”结构。同时，(Ti,W,Ta,Nb)C/Ni界面表现出半相干特性，界面失配约为7.3%，这是由于周期性晶体匹配所致。基于此，(Ti,W,Ta,Nb)C–Ni陶瓷材料表现出由韧性粘结剂断裂和界面断裂协同作用主导的断裂行为，从而实现了优异的强度-韧性平衡。最终获得了1305 HV的硬度、2361 MPa的横向断裂强度和15.13 MPa·m^1/2的断裂韧性。本研究阐明了MCC基陶瓷材料中微观结构、界面和断裂行为耦合调控的关键机制，为下一代高性能陶瓷材料的成分设计和结构优化提供了新的见解。

引言

碳化物硬质材料是高端切割、研磨和成形应用中的核心结构材料，几十年来WC–Co体系一直占据主导地位[1],[2],[3]。然而，钨价的持续上涨显著增加了WC粉末的成本，成为进一步优化性能和大规模应用碳化物硬质材料的主要限制因素[4],[5]。因此，开发对WC依赖性较低的替代硬质相或材料体系，同时保持可靠的服务性能，已成为硬质材料研究的重要方向。

基于TiC和Ti(C,N)的陶瓷材料因其较低的原材料成本、较低的密度和优异的高温稳定性而被认为是WC的有希望的替代品[6],[7]。然而，在高载荷、冲击或中断切割等苛刻使用条件下，这些材料的横向断裂强度（TRS）和断裂韧性往往有限，导致刀具磨损和脆性失效[8],[9]。这种缺陷主要源于TiC基硬质相本身的脆性，这促进了裂纹的萌生和快速扩展[10]。因此，强度-韧性平衡的不足成为TiC基陶瓷材料在严苛应用中无法完全取代WC基碳化物硬质材料的主要瓶颈。

近年来，基于多组分碳化物（MCC）的陶瓷材料因具有较高的配置熵、缓慢的扩散行为和可调的化学键合特性而受到越来越多的关注，这些特性共同使得硬度和韧性得以同时提升[11],[12],[13],[14],[15],[16]。先前的研究表明，(V,Nb,Ta,Ti,W)C–Ni体系（C/metal比为0.86）实现了最佳的性能平衡，得益于Ni粘结剂中溶质含量低以及MCC相本身的韧性，其硬度为14.3 GPa，横向断裂强度为1565 MPa，断裂韧性为9.2 MPa·m^{1/2_0.6N_0.4)-Co体系由于较高的配置熵、较低的吉布斯自由能和扩散抑制效应，形成了无核或弱核结构[18]。由于这种优化的核-缘形态，该材料的性能优于大多数Ti(C,N)基陶瓷材料，硬度达到15.7 GPa，断裂韧性为12.9 MPa·m1/2}

基于此背景，本研究提出了一种材料设计策略，通过用MCC硬质相替代传统的WC或TiC，并结合具有良好界面键合特性的金属粘结剂（Co、Ni或其合金），在降低成本的同时提升性能。这种策略通过多主元素的协同强化作用，同时增强了硬质相的稳定性和整体的强度-韧性匹配，有效降低了了对钨资源的依赖。该策略为设计和应用下一代高性能、低钨含量的陶瓷材料提供了可行的途径。

材料制备

材料制备

选择了纯度高于99.9%、粒径为1–3 μm的商用WC、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅和碳粉末作为前驱体。在合成前，通过高能研磨对粉末进行机械活化，以提高混合均匀性和反应效率。然后，在真空碳管炉中于2200 °C进行两阶段碳热还原，得到了包括(Ti,W)C和(Ti,W,Ta,Nb)C在内的混合碳化物粉末。

用于陶瓷材料的制备，

微观结构

陶瓷材料的XRD图谱如图1所示。除了MCC2陶瓷材料中检测到少量石墨外，所有其他陶瓷材料仅由FCC结构的硬质相和FCC结构的粘结剂组成，未检测到其他次要相。这证实了形成了稳定的固溶体碳化物。FCC–MCC相的五个特征衍射峰分别对应于(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面，与典型的FCC结构一致。

MCC/Ni界面的微观结构和晶格匹配特性

图8系统展示了MCC7样品中MCC/Ni界面的微观结构。如图8a所示，STEM图像和相应的EDS元素图显示了清晰明确的MCC/Ni界面。在MCC硬质相和Ni粘结剂之间未观察到明显的反应层或异常的元素偏聚，表明界面形成过程中化学相容性良好。

结论

本研究系统研究了添加TiC、(Ti,W)C和多组分(Ti,W,Ta,Nb)C硬质相的陶瓷材料的微观结构演变、界面特性和力学性能。主要结论如下：

(1)

所有研究的陶瓷材料均由FCC硬质相嵌入在FCC金属粘结剂中组成。与TiC和(Ti,W)C基体系相比，(Ti,W,Ta,Nb)C基陶瓷材料形成了精细的“细核/薄缘”结构。

作者贡献声明

程倩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学研究，资金获取，正式分析，数据管理。刘勇：资源获取，项目管理，资金获取，概念构思。李坤：监督，资源管理，方法学研究，概念构思。黄俊：验证，正式分析。沈梦光：验证，研究。程慧超：撰写 – 审稿与编辑，资源管理，项目管理，资金获取，

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52501199，项目编号：U25A20281）和国家重点研发计划（项目编号：2024YFB4608600）的支持。