以WC-Co、WC-Ni、WC-Co-Cr等為代表的熱噴涂硬質(zhì)合金涂層，因具有高的硬度、良好的韌性和優(yōu)異的耐磨耐蝕性，被廣泛用于機(jī)械零部件的表面耐磨、耐蝕防護(hù)或再制造修復(fù)。因具有綜合性能突出、性價(jià)比高、制備工藝綠色無污染等諸多優(yōu)勢，熱噴涂WC基涂層被普遍認(rèn)為是目前可替代存在嚴(yán)重環(huán)境污染問題的電鍍硬鉻層的首選產(chǎn)品，已在歐盟、美國、日本等熱噴涂產(chǎn)業(yè)較發(fā)達(dá)的國家得到全面替代應(yīng)用。隨著各種復(fù)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(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)等多重嚴(yán)苛復(fù)雜的服役環(huán)境，研發(fā)具有更強(qiáng)耐磨耐蝕性能的硬質(zhì)合金涂層是新材料研發(fā)、表面工程和再制造領(lǐng)域的緊迫需求。

近年來，北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授團(tuán)隊(duì)在耐高溫氧化、耐磨損、耐腐蝕的WC基硬質(zhì)合金涂層的設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域，取得了多項(xiàng)新材料、新技術(shù)的突破，相關(guān)研究工作在腐蝕領(lǐng)域國際Top期刊Corrosion Science上連續(xù)發(fā)表了3篇學(xué)術(shù)論文。論文第一/共同通訊作者為北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部的王海濱副研究員。系列研究工作針對傳統(tǒng)硬質(zhì)合金涂層中金屬粘結(jié)相極易被氧化、突出發(fā)生腐蝕和磨損等難題，在初始噴涂材料的成分、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上開創(chuàng)了新思路，提出了新策略，研制的η粘結(jié)相、硼化物改性、WC微合金化等系列新型硬質(zhì)合金涂層，具有顯著提升的強(qiáng)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(huán)境中具有重要的工程應(yīng)用前景。

1 抗液態(tài)金屬腐蝕的WC-η涂層

熱噴涂WC-Co硬質(zhì)合金涂層是長期應(yīng)用于熱鍍鋅設(shè)備表面防護(hù)的傳統(tǒng)涂層產(chǎn)品。然而，該類涂層常因Co相遭受熔融Zn或Zn/Al等腐蝕而導(dǎo)致涂層過早失效。北京工業(yè)大學(xué)硬質(zhì)合金研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出，利用金屬氧化物與碳的原位反應(yīng)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(zhì)態(tài)Co，同時，利用納米晶組織的強(qiáng)韌化效應(yīng)提高涂層中裂紋形核擴(kuò)展的抗力，研制出在熔鋅中具有優(yōu)良耐磨耐蝕性能的新型納米結(jié)構(gòu)WC-η型硬質(zhì)合金涂層。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，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(kuò)散進(jìn)入η相，使其在熔鋅中的溶解腐蝕趨勢顯著增加；當(dāng)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(fā)現(xiàn)熔鋅從涂層側(cè)面向其內(nèi)部擴(kuò)散的速率明顯高于從表面方向，這為該新型涂層的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。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(jié)果對于進(jìn)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(jìn)程提供了重要的科學(xué)依據(jù)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 

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

2 自修復(fù)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(tǒng)WC-Co涂層中的硬質(zhì)相，利用WB和Co的原位反應(yīng)構(gòu)建新的化合物相，產(chǎn)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(chǎn)生約1μm厚度的納米晶結(jié)構(gòu)的氧化層，物相組成包括WO3、CoWO4和B2O3（熔點(diǎn)為450 oC）。處于熔融狀態(tài)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(chǎn)生大量裂紋）及其與亞表面層之間的結(jié)合強(qiáng)度，還可降低摩擦系數(shù)，使得氧化層因斷裂而發(fā)生磨損剝落的幾率顯著降低；此外，還可以在摩擦?xí)r的擠壓和剪切力作用下，實(shí)現(xiàn)氧化層中孔隙、微裂紋等缺陷的自修復(fù)，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(tǒng)WC-Co涂層的高溫耐磨損性能提高了10倍左右。研究發(fā)現(xiàn)的硼氧化物的這種獨(dú)特性，可用于抗高溫氧化和耐磨損的其他陶瓷基材料的設(shè)計(jì)開發(fā)，豐富了本領(lǐng)域?qū)Ω邷貤l件下摩擦與氧化交互作用的認(rèn)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(zhì)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(jié)相的腐蝕驅(qū)動力。由此設(shè)計(jì)制備出一種新型WC-CoCr涂層，該涂層與傳統(tǒng)的WC-Co-Cr涂層具有本質(zhì)性區(qū)別。利用熔煉合成的Co2Cr3金屬間化合物作為原材料，替代傳統(tǒng)WC-Co-Cr涂層中的單質(zhì)態(tài)Co、Cr，一方面，使Co、Cr獲得均勻的化合，有效避免傳統(tǒng)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(yīng)活性，結(jié)合一定的熱處理工藝，促使Cr在WC中固溶，從而開發(fā)出具有強(qiáng)耐磨耐蝕性的新型WC-CoCr涂層。利用第一性原理計(jì)算和對涂層中各相表面電勢的實(shí)際測量已證實(shí)，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(jié)相的電勢差，有效抑制了WC/Co界面處Co粘結(jié)相的優(yōu)先腐蝕。這種新型WC-CoCr涂層具有明顯提高的耐電化學(xué)腐蝕性能，其腐蝕電流密度相對于傳統(tǒng)涂層下降了一個數(shù)量級，在同時需求耐磨和耐蝕的工況環(huán)境具有廣闊的應(yīng)用前景。

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

圖1. 開發(fā)的原位合成超細(xì)/納米WC-Co類復(fù)合粉末，成分與粒徑可控，顆粒內(nèi)為納米晶組織，且界面具有獨(dú)特共格性。

圖2. 開發(fā)的超細(xì)/納米結(jié)構(gòu)WC基噴涂/3D打印粉料，可直接用于制備高性能硬質(zhì)合金涂層和3D打印硬質(zhì)合金異形構(gòu)件。

圖3. 開發(fā)的極少(或無)脫碳的超細(xì)/納米結(jié)構(gòu)WC基涂層，具有近全致密的組織結(jié)構(gòu)和高的結(jié)合強(qiáng)度，耐磨、耐蝕性能均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)微米級粉末制備的涂層。

北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部的王海濱副研究員，于2013年獲得博士學(xué)位，師從宋曉艷教授，2018年于英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）做訪問學(xué)者。先后入選了北京工業(yè)大學(xué)“日新人才”、高端人才隊(duì)伍建設(shè)計(jì)劃“優(yōu)秀人才”，獲得IFAM 2020優(yōu)秀青年科學(xué)家獎、北京市科學(xué)技術(shù)獎二等獎（排名第二）。主持國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、企業(yè)委托橫向課題等項(xiàng)目，在Acta Mater.、Corros. Sci.、Appl. Surf. Sci.等期刊發(fā)表SCI論文80余篇，授權(quán)/公開國家發(fā)明專利41件。兼任北京機(jī)械工程學(xué)會粉末冶金分會委員、《粉末冶金技術(shù)》期刊青年編委、國際粉末冶金大會“難熔與硬質(zhì)材料”分會組委會委員等。

北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授研究團(tuán)隊(duì)多年來致力于具有穩(wěn)定高性能的合金納米材料設(shè)計(jì)制備與組織結(jié)構(gòu)調(diào)控，研究方向包括硬質(zhì)合金、稀土合金和計(jì)算材料學(xué)，形成了“合金納米材料穩(wěn)定性基礎(chǔ)研究”與“工程應(yīng)用”緊密結(jié)合的發(fā)展主線和學(xué)術(shù)特色。團(tuán)隊(duì)十幾年潛心研究開發(fā)的高強(qiáng)韌、耐磨耐蝕超細(xì)/納米硬質(zhì)合金等系列原創(chuàng)技術(shù)，于2021年落地京津冀企業(yè)，成功實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化，一次轉(zhuǎn)化額達(dá)1000萬元，取得了基礎(chǔ)研究向工程應(yīng)用的重大突破，開創(chuàng)了先進(jìn)硬質(zhì)合金開發(fā)應(yīng)用的新階段。