【48812】中南大学团队提出原位亚稳相增韧高熵碳化物战略助力新式硬质合金开发

　　碳化钨和碳化钛等过渡金属碳化物是硬质合金的首要组成质料，被大范围的使用于金属切削刀具、矿山及地质钻头、耐磨零件等范畴；碳化铌和碳化钽等则可用作硬质合金添加剂以进步合金的高温强度和耐磨性。

　　新一代地质矿山东西等对碳化物硬度和断裂耐性的匹配提出了更加高的要求。除碳化钨等单一碳化物以外，近年来研讨者们也重视新式多组元高熵碳化物，其为含有四种及以上碳化物的等摩尔或近等摩尔比单相固溶体。

　　在单相多组元高熵碳化物中，几种金属组元随机占有阳离子位点，而碳原子坐落阴离子亚晶格。多组元高熵碳化物比较于传统碳化物具有更高硬度及红硬性、低导热系数、优异的抗氧化性、耐磨性和抗热震性等。

　　多组元高熵碳化物还具有宽广的成分规划空间，其在硬质合金范畴具有巨大的使用远景。

　　但是，此前开发的多组元高熵碳化物也存在较高脆性，使其工程使用仍然受限。在此布景下，缓解多组元高熵碳化物资料的脆性和进步其断裂耐性至关重要。

　　为此，中南大学教授团队提出的原位自生亚稳态氧化锆颗粒增韧战略，为处理该问题供给了重要思路，对规划和制备下一代高性能硬质合金及其它高性能结构资料具有广泛的重要意义。

　　研讨中，他们初次提出了原位氧化锆相变增韧块体高熵陶瓷的理念，并在论文中阐明晰谨慎的试验办法和充 分的技术细节，然后有力地支撑了研讨定论。

　　这种多组元高熵碳化物除了具有高硬度和高断裂耐性外，还具有高红硬性、抗热冲击、抗月牙洼磨损以及抗氧化等特征，在硬质合金使用范畴，尤其是超高速精加工刀具方面具有巨大的潜力，也可用作喷气发动机涡轮叶片和火箭喷嘴的涂层资料等。

　　此外，该类多组元高熵碳化物在高能粒子辐射的极点环境下可表现出高结构稳定性，其辐射耐受性比较惯例核用陶瓷更高，有望使用于核反应堆要害部件。

　　研讨伊始经过文献调研之后，课题组发现现在对多组元高熵碳化物资料耐性优化的研讨还适当有限，传统的增韧办法往往以丢失硬度为价值。

　　因为粉末冶金进程较难防止剩余氧的引进，已报导的高熵碳化物系统中经常可见金属氧化物杂质存在。

　　针对于此，该团队提出一个斗胆的想象：自动使用粉末冶金进程中的氧杂质，在成分合理优化规划的多组元高熵碳化物中原位组成弥散散布的 ZrO2 颗粒，调控亚稳四方相 ZrO 2 的相分数有或许完成明显增韧。

　　其一，机械加载进程可诱导亚稳四方相 ZrO2 的马氏体相变，完成资猜中的相变增韧效应；

　　其二，ZrO2 颗粒与基体的弹性模量及热线胀系数差异会引起剩余应力场以及 ZrO2 颗粒周围的亚裂纹，可对主裂纹起偏转和桥接作用然后按捺主裂纹的扩展，完成韧化效应；

　　其三，原位构成的 ZrO2 颗粒可耗费粉末冶金进程中引进的剩余氧杂质，防止构成其他脆性氧化物。

　　随后，他们开端做试验探求。经过机械球磨和放电等离子烧结法，制备了多组元高熵碳化物（W0.2Ta0.2Nb0.2Zr0.2Ti0.2）C。

　　一起，经过调控烧结压力以优化原位亚稳 ZrO2 的相分数，验证了原位亚稳 ZrO2 增韧碳化物陶瓷战略的可行性。

　　表明：“试验部分首要由胡娇娇博士生主导，研讨中选用的粉末冶金制备办法对女生的体能是个不小的应战。难熔碳化物的球磨需求选用硬质合金原料的球磨罐和研磨球，单个罐子重达 10 公斤。”

　　从试验室配粉、装机、取粉、筛粉到最后的清洗进程都需求人力搬运球磨罐，长期高强度的体力劳动也让胡娇娇博士生练就了一双“麒麟臂”。

　　终究，相关论文以《经过亚稳原位颗粒增强耐性的超硬大块高熵碳化物》（）为题发在 Nature Communications[1]，胡娇娇是榜首作者，担任通讯作者。

　　根据该研讨，后续还可继续优化原位自生亚稳四方氧化锆颗粒的含量和尺度等特征，以逐渐提高多组元高熵碳化物陶瓷的断裂耐性。

　　从制备工艺视点而言，调控烧结腔室中的氧分压有利于合理调理 Zr 的氧化行为、细化多组元陶瓷基体中原位自生的氧化锆颗粒，有利于亚稳态四方相氧化锆保存至室温状况，以提高相变增韧作用。

　　从资料成分规划的视点而言，在非等摩尔比的多组元高熵碳化物中调理 Zr 组元的含量有利于取得更优的氧化锆颗粒含量；还能够规划高模量的多组元高熵碳化物基体以按捺冷却进程中氧化锆的相变，然后取得高分数的亚稳四方 ZrO 2 相以添加韧化作用。

　　此外，也 可将原位自生氧化锆颗粒增韧战略扩展至多组元氮化物等其他陶瓷开发范畴，使其具有更优异的归纳力学性能。