超细晶WC-Co硬质合金是高性能陶瓷/金属复合材料的典型代表，制作成刀具后广泛用于金属材料的高速切削、铣削和钻孔加工。在其与待加工材料的高速摩擦过程中，超细晶硬质合金的表面温度急剧上升（局部瞬时温度高达600-800 oC），显著影响材料的使用性能。为了延长高温环境下超细晶硬质合金刀具的服役寿命，急需研究其高温条件下的磨损失效机制。据研究报道，Co粘结相和WC陶瓷相分别在约200 oC和600 oC开始氧化，因此，提高Co相的高温抗氧化能力是提高超细晶硬质合金抗氧化-磨损性能的有效途径。

最近，北京工业大学在提高硬质合金耐高温氧化-磨损性能方面取得重要进展。研究人员发现添加Ru元素对提高Co粘结相的高温抗氧化性有重要作用，其同时也可显著抑制WC相的高温氧化。基于系列实验研究和计算模拟，提出了Ru元素增强超细晶硬质合金耐高温氧化-磨损性能的关键机理。相关研究工作以“High-temperature oxidation-wear properties of Ru-doped cermet”为题发表在国际腐蚀、氧化领域顶级期刊Corrosion Science上，第一作者为博士研究生罗磊，王海滨副研究员和宋晓艳教授为共同通讯作者。

文章链接： https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111679

研究发现添加的Ru元素主要分布在Co粘结相内，提高了Co相的硬度和抗氧化性，从而提高了超细晶硬质合金在室温和高温下的耐磨性。结合高温氧化实验和第一性原理计算，揭示了Ru元素对提升Co粘结相抗氧化能力的作用机理。Ru元素在Co中的固溶有效阻碍了O的扩散，使含2wt.% Ru硬质合金的氧化激活能达到未添加Ru时的2.4倍。此外，研究还发现，含Ru硬质合金中Co氧化物形成速率降低，可减缓Co氧化物（CoO、Co3O4等）与WC相氧化产物（WO3）之间的反应，从而有效抑制WC相的氧化，降低其氧化速率。含Ru硬质合金氧化-磨损区含有较少的低剪切阻力氧化物，使得氧化-磨损区的开裂减少，从而保护了亚表层材料避免发生快速氧化。本研究为高温下抑制超细晶硬质合金等陶瓷/金属复合材料氧化与磨损之间的相互作用提供了新的思路和方法。

图1. 超细晶WC-Co类硬质合金的高温氧化行为和机理：(a) 不同温度下超细晶硬质合金试样的氧化增重曲线；(b) 超细晶硬质合金试样氧化激活能拟合结果；(c,d) 600 oC氧化后超细晶硬质合金试样的微观组织 (图中红色箭头指示致密的氧化层，橙色箭头指示孔隙，蓝色箭头指示针状氧化物)；(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晶胞中掺杂Ru原子后相应的三维和二维电荷密度分布；(g-h) O原子在Co晶胞和Co(Ru)晶胞内的原子扩散能垒计算。 

图2. WC-12 Co硬质合金在600 oC磨损后磨损区域的TEM分析：(a) 氧化层的HAADF-STEM图像以及相应的W、O和Co元素分布；(b) WC晶粒和Co粘结相中的位错形态 (白色箭头指示WC晶粒中的位错，白色虚线指示WC晶粒中的层错)；(c) 氧化物的HRTEM图像以及相应的FFT图谱。

图3. WC-12 Co-2 Ru硬质合金在600 oC磨损后磨损区域的TEM分析：(a) 氧化层的HAADF-STEM图像以及相应的W、O、Co和Ru元素分布；(b) WC晶粒和Co粘结相中的位错形态 (白色箭头指示WC晶粒中的位错，白色虚线指示WC晶粒中的层错，黑色箭头指示Co(Ru)粘结相内的层错)；(c) 氧化物的HRTEM图像以及相应的FFT图谱。

北京工业大学材料与制造学部的王海滨副研究员，于2013年获得博士学位，师从宋晓艳教授，2018年于英国国家物理实验室（NPL）做访问学者。入选北京工业大学“日新人才”、高端人才队伍建设计划“优秀人才”，国家重点研发计划青年科学家项目首席，获得北京市技术发明奖二等奖（排名第二）、IFAM 2020优秀青年科学家奖。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、企业委托横向课题等项目，在Acta Mater.、Corros. Sci.、Mater. Des.等期刊发表SCI论文80余篇，授权/公开国家发明专利40余件。兼任北京机械工程学会粉末冶金分会委员、《稀有金属材料与工程》、《粉末冶金技术》、《材料热处理学报》等期刊青年编委、国际粉末冶金大会“难熔与硬质材料”分会组委会委员等。

北京工业大学宋晓艳教授研究团队多年来致力于具有稳定高性能的合金纳米材料设计制备与组织结构调控，研究方向包括硬质合金、稀土合金和计算材料学，形成了“合金纳米材料稳定性基础研究”与“工程应用”紧密结合的发展主线和学术特色。团队主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、德国研究联合会基金(DFG)、北京市自然科学基金重点等项目以及多项企业委托攻关项目，成果获得省部级科技进步奖一等奖 1 项、自然科学奖二等奖 3 项、技术发明奖二等奖1项；授权和公开国际、国内发明专利100余项，于Sci. Adv.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊发表SCI论文350余篇，在国际国内学术会议上作大会/主旨/邀请报告70余次。