高性能金属基润滑耐磨损材料制备有了新思路

本文转自：科技日报

◎本报记者 颉满斌

7月30日，科技日报记者从中国科学院兰州化学物理研究所了解到，该所固体润滑国家重点实验室高温摩擦学课题组在新型润滑耐磨损高熵/中熵合金设计制备和性能调控等方面进行了系统研究，取得了系列进展。给出一种构筑多级纳米异质结构和成分波动特征来实现合金低磨损的新方法，相关研究成果近日发表于综合性学术期刊《研究》。

新型高熵/中熵合金具有诸多新奇特性，为设计制备高性能金属基润滑耐磨损材料提供了新启发，是目前材料学和摩擦学研究的热点和前沿。

在解决高温润滑与磨损方面具有重要应用价值

传统合金往往是由一种或两种主要金属元素构成，其他合金化元素的比例相对很低。高熵/中熵合金是近年来发展起来的有别于传统合金的新型合金。高熵合金和中熵合金是由多种主要金属元素构成的合金，二者只是在主要金属元素的种类和数量上有差异。一般而言，高熵合金包含5个或5个以上等原子比的金属元素，而中熵合金则包含3个金属元素。高熵/中熵合金展现出许多优异的力学和物理性能。

“高熵/中熵合金有几个明显的特点，主要包括组织结构表现出复杂异质性、成分表现出多组元特征，具有‘质剂不分’的浓缩固溶体结构、晶体结构表现出连续畸变性。”中国科学院兰州化学物理研究所研究员程军介绍，基于其独特的异质结构、成分波动、多级纳米析出相等微观组织结构和多组元特征，高熵/中熵合金展现出卓越的强度—塑性组合、高温结构稳定性、摩擦界面自保护、高温抗氧化等新奇特性。

与传统合金相比，高熵/中熵合金具有非常广阔的成分调控空间，通过对高熵/中熵合金中的元素进行替换或增减，能获得一些具有特殊性能的微观组织结构和异质相，为设计制备高性能金属基润滑耐磨损材料提供了新思路。

程军告诉记者，针对高熵/中熵合金体系开展润滑耐磨损成分设计，采用熔炼、粉末冶金或喷涂等工艺即可制备出具有润滑与耐磨损性能的高熵/中熵合金材料。

“这类新型材料在解决航空航天、轨道交通、核能等领域高端装备运动与传动部件的高温润滑与磨损难题方面具有重要的应用价值和应用前景。”程军介绍。

强度、塑性、热稳定性和耐磨性优于传统合金

中低温下，金属材料摩擦表界面会发生严重的弹塑性变形、局部断裂和磨粒磨损，而高温下则会发生材料黏着、软化变形和氧化磨损，这些因素导致金属材料在宽温度范围内表现出严重的摩擦磨损。针对上述问题，晶粒细化和复合润滑相/抗磨相是目前提高金属材料耐磨损性能的主要手段。

“但是，这两类方法通常会引发新的问题，如当晶粒细化至纳米尺度时，可能会在摩擦过程中引发严重的纳米晶不均匀塑性变形，增加磨损；复合润滑相/抗磨相和基体相之间的错配界面可能会使摩擦界面在磨损过程中发生脆性断裂。”程军说。

研究表明，如果在摩擦副界面之间引入一个能够逐级释放摩擦应力的界面层，可极大减小摩擦过程中不均匀塑性变形和界面错配导致的磨损问题。然而，这种特殊的界面层难以通过常规的制备或加工手段获得。

基于这个问题，研究人员考虑是否可通过调控合金的成分和结构设计制备一种新型金属材料，使其能在中低温摩擦过程中原位形成逐级释放应力的梯度界面耐磨层，高温摩擦过程中形成耐磨损釉质层，从而在宽温度范围内保持稳定的低磨损性能。

高熵/中熵合金独特的浓缩固溶体结构使其表现出优于传统合金的强度、塑性、热稳定性和耐磨性等性能。因此，研究人员以镍元素为溶剂，引入等摩尔比的铝、铌、钛和钒4种元素作为合金化元素，通过将合金化浓度从25 at.%（原子百分数）提高至50 at.%，制备了一种具有纳米分级结构和成分波动特征的新型镍铝铌钛钒中熵合金。为了使溶质元素之间形成高混合熵的过饱和固溶体结构，元素粉末需经历32小时的机械合金化过程，形成面心立方结构和体心立方结构的混合固溶体粉末。

研究人员通过放电等离子烧结使粉末在1050℃发生异质相分离，并在冷却后固结成型，最终形成高体积分数的纳米耦合晶粒相和分级纳米沉淀相，其呈现纳米分级结构和成分波动特征。纳米分级结构异质相的形成将使合金可在磨损诱导的变形过程中沿深度方向原位形成梯度界面层，选用高浓度的易氧化的铝和铌会促进合金在高温摩擦过程中快速形成保护性氧化釉质层。

此外，高浓度的钛可显著提升合金体系的晶格畸变效应，从而提高摩擦界面层的屈服强度。

“与传统合金相比，该合金的结构由分级纳米耦合晶粒组成，表现出纳米尺度的成分波动特征，这种独特的异质性结构使合金在室温至800℃宽温度范围内的磨损过程中自发激活自适应摩擦界面保护行为，形成耐磨损纳米梯度摩擦层或釉质层。该材料作为高温抗磨材料具有重要的应用价值。”程军说。他认为该合金成分可调、可采用热压、喷涂等多种工艺固化成型，有望实现产业化应用。