蘭州化物所Research：寬溫域高耐磨復雜成分合金

寬溫度范圍（室溫至800?℃）內具有低摩擦磨損特性的金屬材料在航空航天、核能等先進裝備運動、傳動系統具有重要的應用前景和價值。近年來發展的新型高熵合金材料具有諸多新奇特性，為設計制備高性能的金屬基潤滑耐磨損材料提供了嶄新的空間，是目前材料學和摩擦學研究的熱點和前沿。

中國科學院蘭州化學物理研究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/中熵合金設計制備及性能調控等方面進行了較系統的研究，并取得了較重要進展。近期，研究人員提出構筑多級納米異質結構和成分波動來獲得極低磨損合金的新策略。采用高熵理念設計制備了一種新型Ni₅₀(AlNbTiV)₅₀復雜成分合金，在室溫至800 ℃范圍，合金的磨損率在10^-7-10^-6?mm³N^-1m^-1量級，是目前有報道的寬溫域耐磨損性能最好的金屬類材料，該材料作為高溫抗磨材料具有重要的應用價值。該合金的寬溫域耐磨性比包括商用耐磨鋼（不銹鋼、軸承鋼和低碳鋼）、傳統鎳基合金（Ni₃Al/NiAl基合金）、高性能高熵合金及自潤滑復合材料等材料低一到三個數量級，特別是在室溫和800 oC展現了最高耐磨性。成果以題為“Remarkable Wear Resistance in a Complex Concentrated Alloy with Nanohierarchical Architecture and Composition Undulation”發表于Research。

【圖文導圖】

圖1 ?Ni₃X和NiX的相組成和微觀結構。

（a）Ni₃X和（b）NiX晶粒結構的BF-TEM圖像和SAED圖譜，其中插圖為統計的片層厚度或晶粒尺寸分布；（c）A1-A3納米耦合晶粒和A2納米沉淀的HRTEM圖像；右側：標記的方框區域所對應的IFFT和FFT圖像；（d）組成相的HAADF-STEM圖像和對應的相圖

圖2 ?Ni₃X和NiX中各相的化學成分。

（a）Ni₃X和（b）NiX的BF-TEM圖像及對應的EDS相圖；（c，d）通過EDS線掃獲得的圖412a和c中標記區域中沿異質相的成分波動

圖3 ?當前合金與其它報道的塊體合金和復合材料在寬溫域內的耐磨性對比

圖4 ?Ni₃X和NiX在室溫磨損后的亞表面微觀結構。

（a，b）Ni₃X的磨損誘導的亞表面結構的BF-TEM圖像；（c）NiX的磨損誘導的亞表面結構的BF-TEM圖像；插圖：平均晶粒尺寸沿深度的變化；（d）從NiX的磨損表面沿深度方向的施加應力和屈服強度的變化示意圖；分別沿NiX表面深度方向擴展（e）200 nm、（f）700 nm和（g）1.6 μm處的BF-TEM圖像；（e₁）HRTEM圖像及其相應的FFT/IFFT顯示了納米耦合晶粒內的納米級變形孿晶；（f₁-f₃）HRTEM圖像及其相應的FFT/IFFT顯示了由不同滑移系的兩個不全位錯反應形成的LC鎖；（g₁-g₃）HAADF-STEM圖像和相應的FFT和IFFT顯示了A2相周圍的高密度納米變形孿晶

圖5 ?Ni₃X和NiX在800 oC磨損后的亞表層結構。（a）Ni₃X氧化層的BF-TEM圖像；（b）Ni₃X的亞表面層的HAADF-STEM圖像及對應的EDS圖；（c）NiX磨損亞表面層的BF-TEM圖像；（d）NiX亞表面層的HAADF-STEM圖像及對應的EDS圖

論文鏈接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0160