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科技日報記者 頡滿斌

【資料圖】

7月30日，科技日報記者從中國科學院蘭州化學物理研究所了解到，該所固體潤滑國家重點實驗室高溫摩擦學課題組在新型潤滑耐磨損高熵/中熵合金設(shè)計制備和性能調(diào)控等方面進行了系統(tǒng)研究，取得了系列進展。給出一種構(gòu)筑多級納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分波動特征來實現(xiàn)合金低磨損的新方法，相關(guān)研究成果近日發(fā)表于綜合性學術(shù)期刊《研究》。

新型高熵/中熵合金具有諸多新奇特性，為設(shè)計制備高性能金屬基潤滑耐磨損材料提供了新啟發(fā)，是目前材料學和摩擦學研究的熱點和前沿。

在解決高溫潤滑與磨損方面具有重要應(yīng)用價值

傳統(tǒng)合金往往是由一種或兩種主要金屬元素構(gòu)成，其他合金化元素的比例相對很低。高熵/中熵合金是近年來發(fā)展起來的有別于傳統(tǒng)合金的新型合金。高熵合金和中熵合金是由多種主要金屬元素構(gòu)成的合金，二者只是在主要金屬元素的種類和數(shù)量上有差異。一般而言，高熵合金包含5個或5個以上等原子比的金屬元素，而中熵合金則包含3個金屬元素。高熵/中熵合金展現(xiàn)出許多優(yōu)異的力學和物理性能。

“高熵/中熵合金有幾個明顯的特點，主要包括組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出復(fù)雜異質(zhì)性、成分表現(xiàn)出多組元特征，具有‘質(zhì)劑不分’的濃縮固溶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出連續(xù)畸變性?！敝袊茖W院蘭州化學物理研究所研究員程軍介紹，基于其獨特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)、成分波動、多級納米析出相等微觀組織結(jié)構(gòu)和多組元特征，高熵/中熵合金展現(xiàn)出卓越的強度—塑性組合、高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、摩擦界面自保護、高溫抗氧化等新奇特性。

與傳統(tǒng)合金相比，高熵/中熵合金具有非常廣闊的成分調(diào)控空間，通過對高熵/中熵合金中的元素進行替換或增減，能獲得一些具有特殊性能的微觀組織結(jié)構(gòu)和異質(zhì)相，為設(shè)計制備高性能金屬基潤滑耐磨損材料提供了新思路。

程軍告訴記者，針對高熵/中熵合金體系開展?jié)櫥湍p成分設(shè)計，采用熔煉、粉末冶金或噴涂等工藝即可制備出具有潤滑與耐磨損性能的高熵/中熵合金材料。

“這類新型材料在解決航空航天、軌道交通、核能等領(lǐng)域高端裝備運動與傳動部件的高溫潤滑與磨損難題方面具有重要的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。”程軍介紹。

強度、塑性、熱穩(wěn)定性和耐磨性優(yōu)于傳統(tǒng)合金

中低溫下，金屬材料摩擦表界面會發(fā)生嚴重的彈塑性變形、局部斷裂和磨粒磨損，而高溫下則會發(fā)生材料黏著、軟化變形和氧化磨損，這些因素導(dǎo)致金屬材料在寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出嚴重的摩擦磨損。針對上述問題，晶粒細化和復(fù)合潤滑相/抗磨相是目前提高金屬材料耐磨損性能的主要手段。

“但是，這兩類方法通常會引發(fā)新的問題，如當晶粒細化至納米尺度時，可能會在摩擦過程中引發(fā)嚴重的納米晶不均勻塑性變形，增加磨損；復(fù)合潤滑相/抗磨相和基體相之間的錯配界面可能會使摩擦界面在磨損過程中發(fā)生脆性斷裂?！背誊娬f。

研究表明，如果在摩擦副界面之間引入一個能夠逐級釋放摩擦應(yīng)力的界面層，可極大減小摩擦過程中不均勻塑性變形和界面錯配導(dǎo)致的磨損問題。然而，這種特殊的界面層難以通過常規(guī)的制備或加工手段獲得。

基于這個問題，研究人員考慮是否可通過調(diào)控合金的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計制備一種新型金屬材料，使其能在中低溫摩擦過程中原位形成逐級釋放應(yīng)力的梯度界面耐磨層，高溫摩擦過程中形成耐磨損釉質(zhì)層，從而在寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的低磨損性能。

高熵/中熵合金獨特的濃縮固溶體結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)合金的強度、塑性、熱穩(wěn)定性和耐磨性等性能。因此，研究人員以鎳元素為溶劑，引入等摩爾比的鋁、鈮、鈦和釩4種元素作為合金化元素，通過將合金化濃度從25 at.%（原子百分數(shù)）提高至50 at.%，制備了一種具有納米分級結(jié)構(gòu)和成分波動特征的新型鎳鋁鈮鈦釩中熵合金。為了使溶質(zhì)元素之間形成高混合熵的過飽和固溶體結(jié)構(gòu)，元素粉末需經(jīng)歷32小時的機械合金化過程，形成面心立方結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)的混合固溶體粉末。

研究人員通過放電等離子燒結(jié)使粉末在1050℃發(fā)生異質(zhì)相分離，并在冷卻后固結(jié)成型，最終形成高體積分數(shù)的納米耦合晶粒相和分級納米沉淀相，其呈現(xiàn)納米分級結(jié)構(gòu)和成分波動特征。納米分級結(jié)構(gòu)異質(zhì)相的形成將使合金可在磨損誘導(dǎo)的變形過程中沿深度方向原位形成梯度界面層，選用高濃度的易氧化的鋁和鈮會促進合金在高溫摩擦過程中快速形成保護性氧化釉質(zhì)層。

此外，高濃度的鈦可顯著提升合金體系的晶格畸變效應(yīng)，從而提高摩擦界面層的屈服強度。

“與傳統(tǒng)合金相比，該合金的結(jié)構(gòu)由分級納米耦合晶粒組成，表現(xiàn)出納米尺度的成分波動特征，這種獨特的異質(zhì)性結(jié)構(gòu)使合金在室溫至800℃寬溫度范圍內(nèi)的磨損過程中自發(fā)激活自適應(yīng)摩擦界面保護行為，形成耐磨損納米梯度摩擦層或釉質(zhì)層。該材料作為高溫抗磨材料具有重要的應(yīng)用價值。”程軍說。他認為該合金成分可調(diào)、可采用熱壓、噴涂等多種工藝固化成型，有望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。