重磅综述Friction:极端工况下硬质合金的摩擦学机制与性能优化策略

在炼狱中咀嚼钢铁的“大国重器之牙”

提起硬质合金（Cemented Carbides，最经典的是 WC-Co 钨钴合金），高端制造业的工程师们绝不陌生。它是现代工业真正的“牙齿”：从深埋地下数千米的盾构机巨型刀盘，到以超音速切削航空发动机钛合金机匣的数控刀片；从海底深水采油树的超高压耐磨阀门，到随钻测量（MWD）的精密测井部件。没有硬质合金，现代人类的精密切削与重型开掘将彻底停滞。

然而，当这副“牙齿”在以极高的速度撕裂金属或粉碎岩石的瞬间，其自身也正经历着地狱般的考验：在不到一平方毫米的微小接触区内，局部温度会在毫秒内飙升至 1000°C 以上，接触应力突破数个吉帕（GPa），同时还要承受每秒数百次的高频机械冲击、极具腐蚀性化学流体的冲刷，以及致命的高温氧化剥落。

过去几十年，工业界主要依靠“经验试错法（Trial-and-error）”来改进材料，但这已经无法满足新一代大国重器对硬质合金极端寿命的苛刻要求。在如此极端的工况下，硬质合金究竟是如何一步步走向失效的？我们又该如何从原子和显微组织的尺度去“逆天改命”？

清华大学摩擦学国家重点实验室（孟永钢教授、曹辉副研究员、白鹏鹏副研究员及张凯鹏博士）在摩擦学顶级期刊 Friction 上发表了堪称“硬质合金摩擦学百科全书”的长篇综述《Tribological mechanisms and performance optimization strategies of cemented carbides under extreme service conditions》。本篇巨作全景式地剖析了硬质合金从材料基因、粉末冶金到 3D 打印的前沿工艺，并极其详尽地拆解了粘着、磨粒、疲劳、氧化、腐蚀等七大极端磨损机制的失效密码。

https://doi.org/10.26599/FRICT.2026.9441243

01 工业之牙的形与神：硬质合金的材料基因与应用全景

硬质合金之所以强大，在于它从根本上来说不是一种单一材料，而是一种金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）。它的微观结构，堪称材料力学与粉末冶金史上最经典的妥协艺术。

1. 复杂部件与极致应用

现代工业对硬质合金的需求早已跨越了简单的方形刀片。如今，在航空航天和深海勘探中，硬质合金被制造成结构极其复杂的部件。

Fig. 1. Examples of typical complex cemented carbide parts: special-shaped nozzle, threaded nozzle, measurement while drilling (MWD) logging parts, carbide valve cage and carbide-tipped cutter bit.(注：图 1 展示了硬质合金在极端工况下的典型复杂部件。从左至右依次为异形喷嘴、螺纹喷嘴、随钻测量（MWD）测井部件、碳化钨阀笼以及硬质合金截齿。这些部件不仅需要极高的耐磨性，还必须具备抵抗高速流体冲蚀和复杂应力疲劳的综合能力。)

2. 粘结相（Binder System）的世纪演进

传统的 WC-Co 体系中，极硬的碳化钨（WC）晶体构成了坚不可摧的承载骨架；而柔软的钴（Co）在高温液相烧结过程中将 WC 晶粒紧紧“黏合”，赋予材料抗断裂的宏观韧性。然而，为了摆脱对昂贵且有毒的金属钴的依赖，同时提升极端环境下的耐蚀耐热性，粘结相体系经历了一场漫长的演化。

Fig. 2. Evolutionary pathway of binder systems in WC-based cemented carbides.(注：图 2 总结了粘结相体系长达数十年的演进路径。从传统具备优异润湿性但有毒的纯钴（Co）基，发展到追求高耐腐蚀性的低钴/无钴体系（如 Ni 基、Fe 基），再到当今最前沿的多主元高熵合金（HEAs，如 CoCrFeNi）以及利用纳米界面强化的无粘结相（Binderless）超硬质合金。)

3. 材料设计学与难熔碳化物的固溶规律

为了研发下一代抗高温氧化、抗粘着的硬质合金，材料学家们不仅仅局限于 WC，而是将目光投向了元素周期表中的 Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 族难熔过渡金属碳化物（如 TiC, TaC, NbC 等）。

Fig. 3. (a) Schematic framework of tribological research methodology for cemented carbides, (b) Mutual Solubility of Refractory Carbides from Group Ⅳ, Ⅴ, and Ⅵ.(注：图 3(a) 构建了硬质合金摩擦学研究的方法论框架，从成分设计到多尺度服役测试；图 3(b) 则展示了难熔碳化物之间形成完全固溶体（CS）或有限固溶体（LS）的互溶规律图谱。由于这些立方晶系碳化物与 WC 会在烧结中形成 (W,Ti,Ta)C 固溶体，这对于提高切削刀具抵抗“月牙洼磨损”和高温氧化至关重要。)

Fig. 4. Schematic indicating applications, pivotal properties, and principal mechanisms of cemented carbides materials.(注：图 4 是一张全景导航图。它将硬质合金的应用场景（切削、采矿、成型）、核心机械性能（硬度、断裂韧性）与主要的失效机制（磨粒、粘着、冲击、腐蚀等）进行了深度的对应与映射。)

02 极限制造：从粉末冶金到激光 3D 打印的跨越

好材料不仅是配出来的，更是精准“造”出来的。综述系统梳理了硬质合金从粉末到成品的工艺迭代，并毫不避讳地指出了前沿制造工艺面临的致命缺陷。

1. 传统粉末冶金（P/M）的“闭环炼金术”

传统的制造涉及粉末制备、球磨混合、压制成型和液相烧结（Liquid-phase sintering，通常在 1400°C 左右）。在此过程中，WC 晶粒尺寸（d）和粘结相平均自由程（）是决定最终摩擦学性能的两大命脉。

Fig. 5. (a) Schematic diagram of the preparation and closed-loop optimization of cemented carbide.(注：图 5 展示了硬质合金制备的闭环优化流程。内环代表从粉末到烧结的核心工艺步骤；外环则强调了如何通过“设计-验证-反馈”的闭环机制，精准调控微观结构（如孔隙率、平均自由程、晶界邻接度），最终实现对宏观力学性能的精准控制。)

2. 增材制造（3D 打印）的狂飙与多尺度缺陷

针对具有内部冷却流道或复杂异形的部件，传统压制模具无能为力。3D 打印（如粉末床熔融 PBF、成型-脱脂-烧结 FDS）带来了几何自由度，但也引入了极其棘手的多尺度缺陷。

Fig. 6. (a) Possible multi-scale defects in cemented carbides 3D printing, and (b) cemented carbides 3D-printing technologies.(注：图 6 深刻剖析了 3D 打印硬质合金的“痛点”。在 PBF（如激光选区熔化 SLM）过程中，由于数千度每秒的极端激光冷却速率，材料内部极易产生多尺度缺陷：包括宏观的热应力开裂、介观的未熔合孔隙（Lack of fusion），以及微观层面上生成的极脆的非平衡态脱碳相（如  碳化物相 ）。)

3. 激光增材涂层与减材加工的前沿阵地

为了在钢基材上直接制备超耐磨的硬质合金涂层，业界开发了激光熔覆等工艺。同时，对于烧结后硬度极高的毛坯，超快激光加工成为了替代传统金刚石砂轮研磨的新手段。

Fig. 7. Schematic diagram for showing the microstructure of Ni/WC composite coatings with various wire transfer modes: (a) liquid spreading transfer, (b) wire plunging transfer, and (c) wire stubbing transfer.(注：图 7 展示了利用送丝激光工艺制备 Ni/WC 复合涂层时的不同金属丝过渡模式。液滴过渡（liquid spreading）容易导致 WC 颗粒沉降不均；而直接插入式过渡（wire plunging/stubbing）则能更好地控制热输入，减少 WC 的高温烧损，获得更均匀的硬质涂层结构。)

Fig. 8. The laser machining process system for cemented carbide.(注：图 8 描绘了硬质合金的激光精密加工系统。利用飞秒或皮秒超快激光，可以实现无切削力的“冷加工”，避免了传统机械磨削在硬质合金表层引入的微裂纹损伤，是制备刀具表面微织构（Surface Texturing）的最佳手段。)

03 地狱工况下的七大劫难：微观失效机理的显微解剖

在真实的工程应用中，磨损绝不仅仅是简单的“摩擦导致材料变薄”。清华团队的综述极为详尽地拆解了七种主导的极端磨损机制，以及它们如何互相交织、协同毁灭这副工业牙齿。

1. 粘着磨损（Adhesive Wear）：原子的“死亡拥抱”与撕裂

在干切削或重载金属成型时，巨大的接触应力瞬间挤破金属表面的吸附保护膜。硬质合金表面的 Co 粘结相会与高温下的对偶金属（如钢或钛合金）发生强烈的原子级冷焊（Cold Welding）。

Fig. 9. (a) Cutting experimental equipment and measurement system, (b)-(c) Tool wear during iterations, and (d) Schematic diagram of the flake peeling process.(注：图 9 深度揭示了粘着磨损导致的灾难性后果。图 9(d) 显示，被冷焊在刀具表面的“积屑瘤（BUE）”在相对运动中被强行撕裂。由于剪切应力超过了粘结相的强度，裂纹向基体深处扩展，导致硬质合金表层像鳞片一样发生大块剥离（Flake peeling）。这种“剥洋葱”式的磨损极其致命。)

2. 磨粒磨损（Abrasive Wear）：微观世界的犁耕与骨架崩塌

当矿石碎屑或外界沙粒侵入摩擦界面时，两体或三体磨粒磨损便开始了。硬质磨粒像耕地的犁耙划过表面，较软的 Co 相被优先切削或挤出（Selective Extrusion）。一旦 Co 被掏空，孤立的 WC 晶粒失去支撑，在剪切力下发生沿晶或穿晶断裂，最终成群脱落。

为了抵抗磨粒磨损，科学家们尝试在成分中引入增强相（如氧化锆 、氧化铝  甚至石墨烯纳米片 GNPs）来提升整体力学性能。

Fig. 10. (a) Friction coefficient of different WC-ZrO2-Al2O3-GNPs ceramics against GCr15 steel ball, (b) Schematic diagram of the relationship between mechanical properties and tribological properties.(注：图 10 展示了在 WC 基体中添加多组元增韧相后的摩擦学响应。图 10(b) 直观地阐明了，通过调整增韧相的比例，当材料的断裂韧性和硬度达到最佳平衡时，其摩擦系数和磨损率将显著降低。这证明了抗磨粒磨损绝不仅仅依靠单一的“高硬度”。)

在强烈的冲击与磨粒共同作用下（如破碎机工作状态），合金表面还会发生剧烈的材料混合。

Fig. 11. Schematic representation of the surface and subsurface microstructural evolution of cemented carbide under combined impact–abrasion conditions, highlighting the formation of a mechanically mixed layer (MML).(注：图 11 描绘了冲击-磨粒耦合磨损下的次表面退化机制。极端的挤压与摩擦不仅导致 WC 碎裂，更将破碎的 WC 颗粒、被挤出的粘结相与外界碎屑强行揉捏在一起，在表面形成了一层结构极度混乱的“机械混合层（MML）”。MML 的形成与剥落周期，直接决定了磨损的速率。)

3. 疲劳磨损（Fatigue Wear）与梯度合金的防御

在间断切削或滚动轴承中，材料承受着高频的交变应力。由于 WC 和 Co 的热膨胀系数存在巨大差异，循环升降温会在相界面处产生强烈的热机械应力错配，导致微裂纹萌生。为了解决表面硬度与内部韧性的矛盾，梯度功能硬质合金（FGCCs）应运而生。

Fig. 12. Schematic diagram of manufacturing methods, properties, additives, applications, and development trends of FGCCs.(注：图 12 详细展示了梯度硬质合金的精妙设计。通过渗碳/脱碳等物理化学工艺，让同一块合金的表层呈现低钴/高立方面心碳化物相（提供极致的抗磨和抗高温能力），而芯部呈现高钴粗晶组织（提供强悍的抗疲劳与冲击断裂韧性）。这种“外刚内柔”的结构是抵抗疲劳磨损的终极解法。)

4. 氧化磨损（Oxidative Wear）：高温下的化学解体

当摩擦温度超过 600°C 时（高速干切削时刀尖可达 1000°C），氧气成为致命杀手。Co 被氧化变脆，而坚硬的 WC 被氧化为疏松多孔的 。 在 800°C 甚至会发生升华，导致合金像粉末一样流失。

Fig. 13. (a) Schematic diagram of the sintering equipment, (b) sintering process curve, (c) Schematic diagram of the friction and wear test device, (d), (e) schematic diagram of friction of the sample.(注：图 13 展示了用于探究氧化磨损的高温摩擦学测试设备原理。高温下复杂的化学动力学过程决定了表面氧化膜的生成速率。有趣的是，在特定挤压条件下，这些氧化物会被烧结成一层致密的“釉层（Glaze layer）”，反而能起到固体润滑和隔离氧气的作用。)

5. 微动磨损（Fretting Wear）与高能电子束表面强化

微动磨损发生在接触面极小振幅（几微米到几百微米）的高频振荡中。产生的细小磨屑无法排出，在闭塞空间内被氧化硬化，形成极具破坏性的高频三体磨粒磨损（Third-body entrapment）。为了抑制微动疲劳裂纹，必须在表面引入强大的残余压应力。

Fig. 14. (a) HCPEB treatment of WC-Co impact needle, (b) untreated SEM morphology, (c-d) initial RTS distribution in WC and Co phases, (e) simulated quasi-static stress field, (f) enhanced surface hardness.(注：图 14 揭示了强流脉冲电子束（HCPEB）处理的抗微动磨损机制。这种极高能量的瞬间轰击使表层几微米材料极速熔化淬火，不仅消除了原始微缺陷，还在微观 WC 晶粒与 Co 界面处重新分布了高强度的残余压应力场。就像对表面进行了一次原子级别的“喷丸强化”，极大抑制了微动疲劳裂纹的萌生。)

6. 腐蚀-磨损（Corrosion-Wear）：电偶腐蚀的跨尺度绞杀

在水下采矿或强酸流体泵中，腐蚀与摩擦形成了灾难性的协同效应（Synergistic effect）。硬质合金内部存在巨大的微观原电池效应：WC 是天然的大阴极，Co 粘结相是小阳极。

Fig. 15. (a) Schematic of metallurgical process of the composite coatings during the cooling process, and (b) The schematic of wear process of prepared composite coatings.(注：图 15(a) 描述了复合材料在凝固冷却过程中的微观组织演化；图 15(b) 则展示了在宏观摩擦过程中，涂层发生分层与剥落的具体物理演变。)

Fig. 16. (a) electrochemical workstation, (b) standard three-electrode device, (c) working electrode, (d) UMT TirboLab friction and wear tester, (e) Principle of experimental structure, and (f) Schematic mechanism of corrosion-wear.(注：图 16 全面展示了腐蚀-磨损协同机理与测试手段。图 16(f) 深刻揭示了微观失效链条：在导电腐蚀介质中，阳极的 Co 相发生电化学溶解（Leaching）被极速抽离，留下极为脆弱的富 WC 海绵状多孔骨架。随后，极其轻微的机械摩擦或流体冲刷就能轻易将这层酥脆的骨架抹平，使新鲜合金再次暴露于腐蚀液中，形成“1+1>10”的恶性循环。)

7. 冲蚀磨损（Erosive Wear）：高速流体与粒子的无差别轰炸

冲蚀失效高度依赖于固体颗粒撞击表面的“冲击角（Impact Angle）”，这决定了底层力学机制的差异。

Fig. 17. (a) The erosion tester and schematic representation, (b)-(e) The schematic diagram of sample and fixture with different impact angles.(注：图 17 直观展示了冲蚀测试台与冲击角效应。低角度（如 15°-30°）主要产生类似切削的犁耕磨损，要求材料具备极高硬度以抵抗形变；而在接近 90° 的垂直射流轰击下，巨大的动能直接转化为极高的法向应力，引发 WC 晶粒的大规模粉碎与脆性层裂。此时，极高的断裂韧性（如高钴、超粗晶组织）成为存活的关键。)

04 终极防御：多维表面工程与技术展望

在基体配方已经优化到热力学物理极限的情况下，表面工程技术将硬质合金的服役寿命再次暴增了几倍甚至几十倍。

Fig. 18. Surface modification technologies for improving tribological properties of cemented carbides.(注：图 18 是硬质合金表面改性技术的最全图谱。从原子级沉积的 PVD/CVD 纳米涂层（如 TiN/TiCN/Al2O3 三明治结构，提供极热屏障与抗粘着性），到离子注入技术（注入 N/C/Ti 提升表层固溶硬度），再到微米级飞秒激光加工的表面物理微织构（充当磨屑收集器与微储油池），最后到高能粒子流（HCPEB）表面强化。基体决定材料的下限，而这些前沿表面技术拔高了其性能的天花板。)

跨越维度的研究范式：数字孪生与计算材料学

综述在最后极具前瞻性地指出，硬质合金的研发正从“经验炒菜”向多尺度数字孪生计算（Multi-scale computational framework）狂奔。

• 第一性原理（DFT）：从量子力学电子云层面，计算多主元高熵合金（HEAs）与 WC 晶面之间的吸附能与界面键合强度。
• 分子动力学（MD）：在纳米和皮秒分辨率下，模拟在干摩擦瞬间，软粘结相中位错的形核、滑移以及金属原子跨界面的冷焊过程。
• 人工智能（AI/ML）：面对复杂的成分配比与烧结工艺参数形成的高维数据黑盒，利用深度神经网络（DNN）进行海量数据训练，能在几秒钟内针对极端目标工况，逆向输出最优的硬质合金成分配方。

05 结语：在炼狱中进化的“工业之齿”

清华大学发表在 Friction 的这篇长篇综述巨作，是对过去数十年全球硬质合金摩擦学研究的集大成总结，更为下一代抗极端环境材料的设计指明了唯一的航向。

对于整个高端装备制造业而言，我们得到的工程级启示无比深刻：

1. 彻底摒弃“唯硬度论”的单向思维：在进行极端工况的选材时，必须精准诊断出系统的失效主导机制。只有看清敌人，才能据此在“硬度-韧性”、“抗氧化-耐腐蚀”的跷跷板上找到最精准的平衡点。
2. 拥抱表面工程与材料基因组的降维打击：基体配方决定生存底线，积极采用多层 CVD/PVD 纳米涂层、梯度结构或勇敢尝试高熵合金（HEAs）粘结相，是提升高端刀具与重型耐磨件服役寿命最具性价比的康庄大道。
3. 全面向数字化与智能设计转型：随着底层 AI 算力壁垒的突破和多物理场融合仿真软件的成熟，“数字孪生”下的虚拟抗磨推演将成为未来十年的核心工业竞争力。

这副大国重器不可或缺的“工业的牙齿”，正在材料科学的烈火与计算机技术的双重淬炼下，变得更加坚不可摧。在可预见的未来，从万米深海的石油钻探到九天揽月的航空发动机精密制造，不断进化后的硬质合金将继续以极其强悍的姿态，从容不迫地啃下人类工程史上最硬的骨头。