宁波材料所在多主元金属陶瓷界面相变与性能调控研究方面取得进展

金属陶瓷复合材料兼具陶瓷相的高硬度与金属粘结相的高韧性，是高端装备摩擦副的关键共性材料。近年来，多主元/高熵化设计为突破金属陶瓷“硬度-韧性”倒置关系及耐磨极限提供了全新途径。然而，多主元体系在高温液相烧结过程中，化学势梯度驱动的元素扩散极易诱发界面反应，导致M₆C型二次碳化物自发形成。传统认知普遍将此类碳化物视作引发应力集中、加速裂纹扩展的“脆性夹杂物”，在材料成分与烧结工艺设计中极力避免，这极大地增加了多主元金属陶瓷的设计难度。

针对这一难题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所常可可研究员团队联合南京理工大学陈翔教授团队，提出了化“被动规避”为“主动利用”的界面相变调控新策略。研究团队借助CALPHAD相图计算，在多主元(Ti,W,Mo,Nb,Ta)(C,N)-Co体系中精准预测了不同竞争碳化物的生成能垒，阐明了高温烧结时W、Mo及Co元素跨界面扩散及相变演化机制，从而成功实现(Mo,W)₃Co₃C碳化物在陶瓷与金属粘结相界面的弥散析出。宏观力学与摩擦学测试表明，该碳化物具有显著的强韧化与耐磨损作用。

为揭示(Mo,W)₃Co₃C碳化物强韧耐磨机制，研究团队结合第一性原理（DFT）计算、微区力学测试与多尺度结构表征开展深入研究。结果表明，承载状态下(Mo,W)₃Co₃C颗粒的晶粒平均取向差增幅远高于(Ti,W,Mo,Nb,Ta)(C,N)和Ti(C,N)陶瓷颗粒；该碳化物界面处的单位体积应变能为相邻(Ti,W,Mo,Nb,Ta)(C,N)颗粒的4倍，这直接证实了(Mo,W)₃Co₃C碳化物具备优异的变形承载能力。在摩擦磨损过程中，(Mo,W)₃Co₃C碳化物与陶瓷颗粒协同构筑刚性骨架，既抑制了Co粘结相挤出，又生成了稳定的“非晶-纳米晶”摩擦膜，使材料耐磨性能相比传统Ti(C,N)-Co提升50%。