超細晶WC-Co硬質合金是高性能陶瓷/金屬復合材料的典型代表，制作成刀具后廣泛用于金屬材料的高速切削、銑削和鉆孔加工。在其與待加工材料的高速摩擦過程中，超細晶硬質合金的表面溫度急劇上升（局部瞬時溫度高達600-800 oC），顯著影響材料的使用性能。為了延長高溫環境下超細晶硬質合金刀具的服役壽命，急需研究其高溫條件下的磨損失效機制。據研究報道，Co粘結相和WC陶瓷相分別在約200 oC和600 oC開始氧化，因此，提高Co相的高溫抗氧化能力是提高超細晶硬質合金抗氧化-磨損性能的有效途徑。

最近，北京工業大學在提高硬質合金耐高溫氧化-磨損性能方面取得重要進展。研究人員發現添加Ru元素對提高Co粘結相的高溫抗氧化性有重要作用，其同時也可顯著抑制WC相的高溫氧化。基于系列實驗研究和計算模擬，提出了Ru元素增強超細晶硬質合金耐高溫氧化-磨損性能的關鍵機理。相關研究工作以“High-temperature oxidation-wear properties of Ru-doped cermet”為題發表在國際腐蝕、氧化領域頂級期刊Corrosion Science上，第一作者為博士研究生羅磊，王海濱副研究員和宋曉艷教授為共同通訊作者。

文章鏈接： https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111679

研究發現添加的Ru元素主要分布在Co粘結相內，提高了Co相的硬度和抗氧化性，從而提高了超細晶硬質合金在室溫和高溫下的耐磨性。結合高溫氧化實驗和第一性原理計算，揭示了Ru元素對提升Co粘結相抗氧化能力的作用機理。Ru元素在Co中的固溶有效阻礙了O的擴散，使含2wt.% Ru硬質合金的氧化激活能達到未添加Ru時的2.4倍。此外，研究還發現，含Ru硬質合金中Co氧化物形成速率降低，可減緩Co氧化物（CoO、Co3O4等）與WC相氧化產物（WO3）之間的反應，從而有效抑制WC相的氧化，降低其氧化速率。含Ru硬質合金氧化-磨損區含有較少的低剪切阻力氧化物，使得氧化-磨損區的開裂減少，從而保護了亞表層材料避免發生快速氧化。本研究為高溫下抑制超細晶硬質合金等陶瓷/金屬復合材料氧化與磨損之間的相互作用提供了新的思路和方法。

圖1. 超細晶WC-Co類硬質合金的高溫氧化行為和機理：(a) 不同溫度下超細晶硬質合金試樣的氧化增重曲線；(b) 超細晶硬質合金試樣氧化激活能擬合結果；(c,d) 600 oC氧化后超細晶硬質合金試樣的微觀組織 (圖中紅色箭頭指示致密的氧化層，橙色箭頭指示孔隙，藍色箭頭指示針狀氧化物)；(e1-e3) Co (001)晶面上吸附O原子模型；(f1-f3) Co(Ru) (001)晶面上吸附O原子模型，以及在Co晶胞中摻雜Ru原子后相應的三維和二維電荷密度分布；(g-h) O原子在Co晶胞和Co(Ru)晶胞內的原子擴散能壘計算。 

圖2. WC-12 Co硬質合金在600 oC磨損后磨損區域的TEM分析：(a) 氧化層的HAADF-STEM圖像以及相應的W、O和Co元素分布；(b) WC晶粒和Co粘結相中的位錯形態 (白色箭頭指示WC晶粒中的位錯，白色虛線指示WC晶粒中的層錯)；(c) 氧化物的HRTEM圖像以及相應的FFT圖譜。

圖3. WC-12 Co-2 Ru硬質合金在600 oC磨損后磨損區域的TEM分析：(a) 氧化層的HAADF-STEM圖像以及相應的W、O、Co和Ru元素分布；(b) WC晶粒和Co粘結相中的位錯形態 (白色箭頭指示WC晶粒中的位錯，白色虛線指示WC晶粒中的層錯，黑色箭頭指示Co(Ru)粘結相內的層錯)；(c) 氧化物的HRTEM圖像以及相應的FFT圖譜。

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。入選北京工業大學“日新人才”、高端人才隊伍建設計劃“優秀人才”，國家重點研發計劃青年科學家項目首席，獲得北京市技術發明獎二等獎（排名第二）、IFAM 2020優秀青年科學家獎。主持國家重點研發計劃、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.、Mater. Des.等期刊發表SCI論文80余篇，授權/公開國家發明專利40余件。兼任北京機械工程學會粉末冶金分會委員、《稀有金屬材料與工程》、《粉末冶金技術》、《材料熱處理學報》等期刊青年編委、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。團隊主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點、德國研究聯合會基金(DFG)、北京市自然科學基金重點等項目以及多項企業委托攻關項目，成果獲得省部級科技進步獎一等獎 1 項、自然科學獎二等獎 3 項、技術發明獎二等獎1項；授權和公開國際、國內發明專利100余項，于Sci. Adv.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊發表SCI論文350余篇，在國際國內學術會議上作大會/主旨/邀請報告70余次。