WC-Co硬质合金被誉为“工业的牙齿”,是应用最广泛的金属陶瓷材料之一,但是其制备需要消耗大量的钨资源。由于钨资源的战略地位和WC的高密度,寻找无钨、轻质的金属陶瓷一直是研究的热点。三元硼化物具有高硬度、高熔点和低密度,并且与金属具有较好的相容性,一度成为无钨金属陶瓷的潜在候选者。对此,本研究首先采用第一性原理计算筛选出综合性能最优的三元硼化物(MoCoB);然后通过原位合成工艺制备了 MoCoB-Co金属陶瓷,并研究了其相演变和组织演变规律;最后研究了化学成分以及掺杂过渡金属元素对金属陶瓷组织和性能的影响。本研究为无钨、轻质金属陶瓷的探索提供了新的思路。论文的研究内容和主要结论如下:(1)26种三元硼化物的综合性能评估。通过分析各类超硬和硬质材料的晶体结构特点,确定以M1xMⅡBx(x=1 or 2,MⅠ和MⅡ为过渡金属元素)型三元硼化物作硬质相。以元素周期表中的过渡金属元素为搜索目标,采用第一性原理计算对26种三元硼化物的结构、力学和热学等性质等进行了研究,确定了 MoCoB是硬度最高的三元硼化物,并且具有比WC更高的韧性和德拜温度。Mo-Co-B三元相图中存在MoCoB+Co的两相区,具备合成MoCoB-Co金属陶瓷的热力学条件,确定了 MoCoB-Co金属陶瓷作为研究对象。(2)25Mo-50Co-25B(at.%)合金在烧结过程中的相演变和组织演变规律。混合粉末在烧结过程中依次经历三个固相反应:2Co+B→Co2B,11Mo+15Co2B→Mo2Co21B6+9MoCoB 和4Mo+Mo2Co21B6→6MoCoB+15Co以及两个液相反应(1242℃-L1和1268℃-L2)。当烧结温度为1100℃-1200℃时,颗粒表面产生了大量类银耳状纳米多孔结构的Co。液相L1和L2分别为纳米多孔结构Co和非纳米多孔结构的Co与MoCoB相互反应形成的共晶液相,L1使烧结体发生初步致密,L2使烧结体进一步充分致密。(3)Mo/B原子比和Co含量对MoCoB-Co金属陶瓷组织和性能的影响。当Mo/B原子比为0.84时,MoCoB颗粒粗大,导致金属陶瓷的硬度较低。当Mo/B原子比≥1.08时,组织中出现了μ相以及由堆垛层错和片状ε-马氏体板组成的三维网络,该三维网络对γ-Co和ε-马氏体的位错滑移有阻碍作用,提高了金属陶瓷的硬度,但降低了断裂韧性。当Mo/B原子比为0.92且Co含量为45 at.%时,金属陶瓷具有最佳的综合性能,其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为HRA 89、1720 MPa和13.2 MPa·m1/2。(4)第四周期过渡金属元素掺杂MoCoB的第一性原理计算。Sc在Mo8Co8B8中具有强Mo占位,Ti、V和Cr具有弱Mo占位,Mn、Fe、Cu和Zn具有弱Co占位,Ni具有强Co占位。除Mo7CrCo8B8之外的掺杂模型的德拜温度均低于Mo8Co8B8的德拜温度值,所有掺杂模型的硬度均小于Mo8Co8B8的硬度。掺杂Sc、Mn、Ni、Cu和Zn可以提高硬质相中位错克服长程内应力场进行滑移所需的应力。(5)Cr、Ni和Mn对MoCoB-Co金属陶瓷组织和性能的影响。添加Cr元素会导致金属陶瓷中出现脆性有害相μ相,恶化材料的抗弯强度和断裂韧性。添加Ni元素会降低金属陶瓷的硬度和耐磨性。添加适量的Mn可以提高金属陶瓷的致密度和细化硬质相晶粒。随着Mn含量的增加,金属陶瓷的硬度先略有降低后逐渐升高,抗弯强度逐渐下降。当Mn含量为6 wt.%时,金属陶瓷具有最小的硬质相晶粒尺寸和较高的致密度,此时的硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为 HRA91.7、1200MPa 和 11.4MPa·m1/2。当 Mn 含量为 10wt.%时,金属陶瓷的硬度最高,为HRA92.1。