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表面富立方相梯度硬质合金有着比常规硬质合金无法比拟的技术优势,其表层具有硬度更高、耐磨性更好的立方相氮化物或碳氮化物,过渡层有较为优异的断裂韧性,能有效解决常规硬质合金中耐磨性和断裂韧性不可共存的问题,可直接用于切削加工及矿产能源开发的刀具材料。此外,表面富立方相梯度硬质合金表层通过渗氮烧结生成的立方相能有效减少合金与涂层间因热膨胀系数不同产生的残余应力,具有成为优异的刀具涂层的基体的潜质。表面富立方相梯度硬质合金的研究目前主要集中于含Ti的WC-Ti C-Co体系,鲜有新材料体系的研究报道,其制备工艺和梯度形成机理的研究还不够完善,梯度结构无法做到精准控制,这些都严重限制了表面富立方相梯度硬质合金的应用。本课题以高压渗氮烧结为主要制备工艺,创新性地采用含Zr及Zr-Ti的新型硬质合金材料体系,系统研究Zr含量对梯度硬质合金的显微结构和力学性能的影响;构建含Zr及Zr-Ti的新型表面富立方相梯度硬质合金显微结构演化模型,从而为梯度结构的精准控制提供材料设计及显微结构机理研究支持,为大幅度拓展梯度硬质合金的应用提供了材料体系开发及制备工艺技术支撑。本研究发现:1、对于WC-Co/Ni-Zr体系硬质合金,高压渗氮烧结使得体系中Zr与氮气发生显著反应,在合金表面生成富Zr N立方相梯度层,富Zr N立方相梯度层的生长方式为外延生长;2、在WC-Co/Ni-Zr体系中,当Zr含量为5 wt.%时,都生成了比较致密纯净的Zr N梯度表层,当Zr含量为10 wt.%和15 wt.%时,梯度层的成分为Zr N-WC混合相;3、对比WC-Co-Zr体系和WC-Ni-Zr体系显微结构,可以发现WC-Ni-Zr体系的梯度层中Zr N含量大于WC-Co-Zr体系,表明WC-Ni-Zr体系中的Zr与高压氮气发生了更显著的热力学耦合反应,促使富Zr N立方相表层的更快速生长;4、WC-Co/Ni-Zr体系中合金梯度表层显微硬度达到2400 HV左右,明显高于芯部显微硬度（1800-2100 HV）,显示出WC-Co/Ni-Zr体系的巨大结构-性能优势;5、WC-Ti C-Zr-Co/Ni体系在高压渗氮烧结工艺过程中形成富Zr N立方相梯度表层,合金中Ti C对梯度层形成的机制被Zr抑制,表明Zr是具有比Ti C更有效的梯度结构形成组分;与WC-Ti C-Co/Ni体系的梯度结构相比较,WC-Ti C-Zr-Co/Ni体系梯度表层厚度较小,结构较为均匀,基本不含WC相,且随着Zr含量的提升,表层梯度厚度会增大,同时表层表面WC含量和孔隙量也会相应增多;6、WC-Ti-Zr-Co/Ni体系在高压渗氮工艺过程中表层形成富Ti N立方相梯度层,梯度层没有形成Zr N立方相,且梯度层厚度有限,孔隙裂纹等缺陷较多;与WC-Ti-Co/Ni体系比较,WC-Ti-Zr-Co/Ni体系致密度有略微较低,芯部硬度基本保持不变,芯部断裂韧性最多提高52.4%,但芯部断裂韧性为7.40 MPa·m1/2仍是处于比较低的水平,综合表明WC-Ti-Zr-Co/Ni不是理想的梯度硬质合金材料体系;7、WC-Co/Ni-Zr体系高压渗氮过程可以归纳为（1）Co/Ni-Zr合金化、形成液相以及致密化过程;（2）高压氮气与液相金属相互作用,氮溶于液相金属的过程;（3）梯度表层形成过程;（4）合金梯度表层以下的次表层区域的Zr扩散行为及梯度表层的连续生长等四个环节;8、WC-Co/Ni-Zr体系梯度层生长的动力学模型为:（?）其中X为梯度层厚度,D[Zr],s为Zr在梯度层中的扩散系数,C[Zr],i为Zr在梯度层内表层液相金属中的浓度,CZr N为Zr在Zr N立方相梯度层中的浓度。此模型表明梯度层的生长主要由Zr在梯度层的扩散系数以及内表层液相金属中的Zr浓度所决定。