以WC-Co、WC-Ni、WC-Co-Cr等為代表的熱噴涂硬質合金涂層，因具有高的硬度、良好的韌性和優異的耐磨耐蝕性，被廣泛用于機械零部件的表面耐磨、耐蝕防護或再制造修復。因具有綜合性能突出、性價比高、制備工藝綠色無污染等諸多優勢，熱噴涂WC基涂層被普遍認為是目前可替代存在嚴重環境污染問題的電鍍硬鉻層的首選產品，已在歐盟、美國、日本等熱噴涂產業較發達的國家得到全面替代應用。隨著各種復雜服役工況對涂層性能要求的不斷提高，尤其是針對高溫、重載、強烈腐蝕性介質等多重嚴苛復雜的服役環境，研發具有更強耐磨耐蝕性能的硬質合金涂層是新材料研發、表面工程和再制造領域的緊迫需求。

近年來，北京工業大學宋曉艷教授團隊在耐高溫氧化、耐磨損、耐腐蝕的WC基硬質合金涂層的設計研發領域，取得了多項新材料、新技術的突破，相關研究工作在腐蝕領域國際Top期刊Corrosion Science上連續發表了3篇學術論文。論文第一/共同通訊作者為北京工業大學材料與制造學部的王海濱副研究員。系列研究工作針對傳統硬質合金涂層中金屬粘結相極易被氧化、突出發生腐蝕和磨損等難題，在初始噴涂材料的成分、結構設計上開創了新思路，提出了新策略，研制的η粘結相、硼化物改性、WC微合金化等系列新型硬質合金涂層，具有顯著提升的強韌性和耐室溫/高溫磨損、耐腐蝕等性能，在極端苛刻的工況環境中具有重要的工程應用前景。

1 抗液態金屬腐蝕的WC-η涂層

熱噴涂WC-Co硬質合金涂層是長期應用于熱鍍鋅設備表面防護的傳統涂層產品。然而，該類涂層常因Co相遭受熔融Zn或Zn/Al等腐蝕而導致涂層過早失效。北京工業大學硬質合金研究團隊創新性提出，利用金屬氧化物與碳的原位反應合成納米WC和耐鋅液腐蝕的Co-W-C化合物（即η相）替代單質態Co，同時，利用納米晶組織的強韌化效應提高涂層中裂紋形核擴展的抗力，研制出在熔鋅中具有優良耐磨耐蝕性能的新型納米結構WC-η型硬質合金涂層。進一步的研究發現，該WC-η涂層在使用過程中，熔融鋅中的微量氧可通過間隙擴散進入η相，使其在熔鋅中的溶解腐蝕趨勢顯著增加；當涂層表面形成一定厚度的WO3/CoWO4氧化層時，可有效阻礙鋅液滲透，涂層的溶解腐蝕速率明顯降低。但是，需要注意的是，在熱震作用下疏松的氧化層中易形成裂紋，可能引起涂層材料的剝落，并且發現熔鋅從涂層側面向其內部擴散的速率明顯高于從表面方向，這為該新型涂層的應用提供了指導。研究過程中提出了一種精確分析熔鋅中Co溶入量以評估WC-η涂層腐蝕程度的新方法。上述研究結果對于進一步通過引入耐蝕性元素或化合物組元以抑制氧化引起的溶解腐蝕，并合理利用氧化層阻礙腐蝕進程提供了重要的科學依據和設計基礎。 

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110192

2 自修復高溫摩擦引起的組織缺陷

以WB化合物部分或完全替代傳統WC-Co涂層中的硬質相，利用WB和Co的原位反應構建新的化合物相，產生新型的WC/WB-WCoB涂層。該新材料在約900 oC的高溫下仍保持低的氧化速率，在高溫滑動摩擦過程中，其表面可以產生約1μm厚度的納米晶結構的氧化層，物相組成包括WO3、CoWO4和B2O3（熔點為450 oC）。處于熔融狀態的硼氧化物，通過粘性流動不僅改善氧化層的塑性變形能力（僅含WO3和CoWO4的氧化層會產生大量裂紋）及其與亞表面層之間的結合強度，還可降低摩擦系數，使得氧化層因斷裂而發生磨損剝落的幾率顯著降低；此外，還可以在摩擦時的擠壓和剪切力作用下，實現氧化層中孔隙、微裂紋等缺陷的自修復，從而大幅提高了涂層的抗氧化性和耐高溫磨損性能。本工作研制的新型涂層相對于傳統WC-Co涂層的高溫耐磨損性能提高了10倍左右。研究發現的硼氧化物的這種獨特性，可用于抗高溫氧化和耐磨損的其他陶瓷基材料的設計開發，豐富了本領域對高溫條件下摩擦與氧化交互作用的認識。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.109133

3 碳化物微合金化提高涂層耐蝕性

提出了硬質相基體微合金化的新方法，即，在WC中固溶一定量的合金元素，降低WC相的腐蝕電位，縮小WC與Co的相對電勢，從源頭上降低金屬粘結相的腐蝕驅動力。由此設計制備出一種新型WC-CoCr涂層，該涂層與傳統的WC-Co-Cr涂層具有本質性區別。利用熔煉合成的Co2Cr3金屬間化合物作為原材料，替代傳統WC-Co-Cr涂層中的單質態Co、Cr，一方面，使Co、Cr獲得均勻的化合，有效避免傳統工藝制備涂層中Cr的局部富集；另一方面，利用Co2Cr3化合物高的反應活性，結合一定的熱處理工藝，促使Cr在WC中固溶，從而開發出具有強耐磨耐蝕性的新型WC-CoCr涂層。利用第一性原理計算和對涂層中各相表面電勢的實際測量已證實，Cr在碳化物中的固溶降低了其表面電勢，縮小了WC和Co粘結相的電勢差，有效抑制了WC/Co界面處Co粘結相的優先腐蝕。這種新型WC-CoCr涂層具有明顯提高的耐電化學腐蝕性能，其腐蝕電流密度相對于傳統涂層下降了一個數量級，在同時需求耐磨和耐蝕的工況環境具有廣闊的應用前景。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2018.11.028

圖1. 開發的原位合成超細/納米WC-Co類復合粉末，成分與粒徑可控，顆粒內為納米晶組織，且界面具有獨特共格性。

圖2. 開發的超細/納米結構WC基噴涂/3D打印粉料，可直接用于制備高性能硬質合金涂層和3D打印硬質合金異形構件。

圖3. 開發的極少(或無)脫碳的超細/納米結構WC基涂層，具有近全致密的組織結構和高的結合強度，耐磨、耐蝕性能均顯著優于傳統微米級粉末制備的涂層。

北京工業大學材料與制造學部的王海濱副研究員，于2013年獲得博士學位，師從宋曉艷教授，2018年于英國國家物理實驗室（NPL）做訪問學者。先后入選了北京工業大學“日新人才”、高端人才隊伍建設計劃“優秀人才”，獲得IFAM 2020優秀青年科學家獎、北京市科學技術獎二等獎（排名第二）。主持國家自然科學基金、北京市自然科學基金、企業委托橫向課題等項目，在Acta Mater.、Corros. Sci.、Appl. Surf. Sci.等期刊發表SCI論文80余篇，授權/公開國家發明專利41件。兼任北京機械工程學會粉末冶金分會委員、《粉末冶金技術》期刊青年編委、國際粉末冶金大會“難熔與硬質材料”分會組委會委員等。

北京工業大學宋曉艷教授研究團隊多年來致力于具有穩定高性能的合金納米材料設計制備與組織結構調控，研究方向包括硬質合金、稀土合金和計算材料學，形成了“合金納米材料穩定性基礎研究”與“工程應用”緊密結合的發展主線和學術特色。團隊十幾年潛心研究開發的高強韌、耐磨耐蝕超細/納米硬質合金等系列原創技術，于2021年落地京津冀企業，成功實現了成果轉化，一次轉化額達1000萬元，取得了基礎研究向工程應用的重大突破，開創了先進硬質合金開發應用的新階段。