过渡金属硼化物具有高硬度、抗磨损和良好的热稳定性以及能在常压下合成等特性,可作为切削、研磨、抛光等加工工具材料和机械部件上的抗磨损涂层。其中,硼化钨由于原材料成本相对低廉而备受青睐。硼化钨中目前已知硬度最高的是WB4。然而,WB4在高于1000℃的条件下会分解为硬度较低的WB2,从而降低力学性能。因此,提高WB4的热稳定性是制备具有高硬度块体材料的关键。与此同时,对WB4力学性能的提升,对拓宽其应用前景具有重要意义。本文主要研究第三掺杂元素Ta对WB4热稳定性以及第四掺杂元素Mo和Cr对Ta掺杂WB4硬度的影响。并根据WB4的物化性质,初步确定烧结工艺。揭示掺杂元素对WB4的稳定和强化机理,建立工艺-成分与结构-性能之间的相互关系。本文工作内容及结论如下:1)采用机械化学法并结合高温热处理,以W、Ta、B粉末为原料,合成W1-xTaxB4粉末。研究了Ta掺杂对WB4热稳定性和抗氧化性能的影响,并探讨了Ta掺杂WB4的掺杂稳定机理。结果表明,Ta掺杂可以显著提升WB4的稳定性,1500℃热处理条件下,与未掺杂样品相比Ta掺杂样品的WB4含量提升了97%,且Ta掺杂使得WB4的氧化温度由420℃提升至了460℃。2)研究了烧结工艺等对力学性能的影响,初步确定了Ta掺杂WB4的烧结工艺,同时研究了Ni作为烧结助剂对WB4块体致密度和硬度的影响。实验结果表明,Ta掺杂WB4的最佳SPS烧结工艺为1500℃--30MPa-保温10min,同时3wt%Ni有助于WB4的烧结,可以使其硬度从15.3±7.9GPa提升至23.7±3.5GPa。3)研究了第二掺杂元素Mo和Cr对Ta掺杂WB4微观结构和力学性能的影响。通过比较烧结工艺和Mo,Cr掺杂对WB4微观结构、稳定性和硬度的影响,探讨了Mo和Cr对Ta掺杂WB4的影响机理。结果表明,Mo掺杂可以有效提升样品硬度并改善不均匀性,其强化机制为Mo取代硼三聚体改变电子结构。当掺杂0.03摩尔Mo,0.49N载荷下样品硬度从23.7±3.5GPa提升至32.7±1.1GPa。而Cr的强化机制为原子半径差异强化和取代硼三聚体改变电子结构强化,其强化程度随着掺杂量的增大而减小,且其强化机制随着掺杂比例的改变而有所不同。最佳掺杂比例为0.03,样品微观结构呈现为细棒状,当载荷为0.49N时硬度高达36.8±2.5GPa,9.8N载荷下硬度为25±0.3GPa;而0.1比例时,硬度大幅度下降0.49N载荷下仅有18.4±2.1GPa,下降了50%;9.8N载荷下硬度为13.6±0.7GPa,下降了45%。综上,本论文为制备高硬度、高纯度和高热稳定性的WB4提供了理论和实验基础,对合理设计过渡金属硼化物的超硬材料有一定的指导作用。