超粗WC-Co硬質合金的WC晶粒尺寸一般大于5μm，具有良好的硬度和斷裂韌性，因此被廣泛應用于煤礦開采、鑿巖和隧道施工。由于惡劣的工作條件，超粗晶硬質合金必須要承受碰撞帶來的循環載荷、強烈的機械疲勞和溫度突變的熱疲勞，該類材料的使用壽命無疑面對著巨大的挑戰。對于超粗晶WC-Co硬質合金，為了延長其使用壽命，特別是在高溫環境下，需要進一步提高斷裂強度。

超粗晶硬質合金在較高溫度下壓縮時，WC晶粒中儲存的能量會高于Co相，WC相對于硬質合金的塑性變形貢獻要大于Co相，因此強化WC晶粒是提高超粗WC-Co硬質合金室溫和高溫力學性能的有效途徑。TaC的加入可使WC骨架形成較硬的(W,Ta)C相，而由于(W,Ta)C相與Co的潤濕性較差，使得晶界在高溫下更容易滑移。

近日，北工大等單位的研究人員研究發現Ta對硬質合金力學性能的貢獻主要取決于TaC或Ta的存在形式和位置。為此，設計實驗分析超粗晶硬質合金的晶粒形貌、應力分布和位錯形態，研究了TaC對超粗晶硬質合金高溫壓縮行為的影響。建立了抗壓強度、WC連續度和位錯形態與溫度和TaC加入量的關系。在一系列實驗表征和應力計算的基礎上，提出了Ta溶入WC強化超粗晶硬質合金的機理，相關論文以題為“High-temperature mechanical behavior of ultra-coarse cemented carbide with grain strengthening”發表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.06.067

研究發現添加TaC的超粗硬質合金中WC晶粒在WC/Co相界的連續性較低，并具有圓弧邊緣的特征形貌。在相同的超粗晶粒尺寸水平下，與未添加TaC的硬質合金相比，添加TaC的硬質合金在高溫下的抗壓強度明顯提高。

圖1 WC-8Co ( a )和WC-8Co-0.8TaC (b )試樣800℃壓縮后的顯微組織的應力分布，以及WC骨架代表性位置的應力分布比較( c )

圖2 不同溫度下壓縮試樣中WC晶粒平均位錯密度和( 0001 ) WC晶面位錯密度

圖3WC-8Co ( a , b )和WC-8Co-0.8TaC ( c , d )試樣經800℃壓縮后沿[-12-10]和[0001]方向觀察的位錯

由于TaC對晶粒形狀和接鄰性的影響，WC骨架(尤其是三叉晶界、晶界和轉角處)的應力集中有所降低。在所有溫度下，添加TaC的硬質合金中WC位錯密度始終高于未添加TaC的硬質合金，并且0.8TaC試樣具有多方向位錯網絡，具有大量的波形和短位錯線，成“波浪滑移”。 

圖4 試樣中WC晶粒( a )、Co相( b )和WC / Co相界( c )位置的3DAP分析

圖5 WC位錯模式形成示意圖：( a )無添加WC晶體中典型的位錯滑移；( b )固溶Ta原子WC晶體中的位錯滑移；( c , d )當受富Ta團聚阻礙時，WC位錯分別在相鄰棱柱面和基底面的交叉滑移，導致滑移面上形成波狀和短的位錯線

原子成分檢測Ta分布具有圓弧特征的WC晶粒中。基于WC位錯與Ta溶質原子的相互作用以及由此所產生晶格畸變的論證，提出了TaC超粗硬質合金的強化機制，解釋了由于WC中Ta固溶引起位錯的特定波狀滑移。

綜上所述，作者研究了超粗晶硬質合金添加Ta后的晶粒形貌、應力分布和位錯形態，從原子尺度上揭示了Ta在WC晶體中的固溶和與位錯的相互作用的超粗晶強化機制。突出硬質合金硬質相的強化，為提高其高溫性能開辟了新的視角，將適用于多種金屬陶瓷和陶瓷基復合材料。