高性能金屬基潤(rùn)滑耐磨損材料制備有了新思路

科技日?qǐng)?bào)記者 頡滿斌

7月30日，科技日?qǐng)?bào)記者從中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所了解到，該所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫摩擦學(xué)課題組在新型潤(rùn)滑耐磨損高熵/中熵合金設(shè)計(jì)制備和性能調(diào)控等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了系列進(jìn)展。給出一種構(gòu)筑多級(jí)納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分波動(dòng)特征來(lái)實(shí)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(xué)術(shù)期刊《研究》。

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

在解決高溫潤(rùn)滑與磨損方面具有重要應(yīng)用價(jià)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(duì)很低。高熵/中熵合金是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(lèi)和數(shù)量上有差異。一般而言，高熵合金包含5個(gè)或5個(gè)以上等原子比的金屬元素，而中熵合金則包含3個(gè)金屬元素。高熵/中熵合金展現(xiàn)出許多優(yōu)異的力學(xué)和物理性能。

“高熵/中熵合金有幾個(gè)明顯的特點(diǎn)，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。”中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員程軍介紹，基于其獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)、成分波動(dòng)、多級(jí)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(qiáng)度—塑性組合、高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、摩擦界面自保護(hù)、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(guò)對(duì)高熵/中熵合金中的元素進(jìn)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(jì)制備高性能金屬基潤(rùn)滑耐磨損材料提供了新思路。

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

“這類(lèi)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(yùn)動(dòng)與傳動(dòng)部件的高溫潤(rùn)滑與磨損難題方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。”程軍介紹。

強(qiáng)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(huì)發(fā)生嚴(yán)重的彈塑性變形、局部斷裂和磨粒磨損，而高溫下則會(huì)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(yán)重的摩擦磨損。針對(duì)上述問(wèn)題，晶粒細(xì)化和復(fù)合潤(rùn)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(lèi)方法通常會(huì)引發(fā)新的問(wèn)題，如當(dāng)晶粒細(xì)化至納米尺度時(shí)，可能會(huì)在摩擦過(guò)程中引發(fā)嚴(yán)重的納米晶不均勻塑性變形，增加磨損；復(fù)合潤(rùn)滑相/抗磨相和基體相之間的錯(cuò)配界面可能會(huì)使摩擦界面在磨損過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂。”程軍說(shuō)。

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

基于這個(gè)問(wèn)題，研究人員考慮是否可通過(guò)調(diào)控合金的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備一種新型金屬材料，使其能在中低溫摩擦過(guò)程中原位形成逐級(jí)釋放應(yīng)力的梯度界面耐磨層，高溫摩擦過(guò)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(dú)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(qiáng)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(guò)將合金化濃度從25 at.%（原子百分?jǐn)?shù)）提高至50 at.%，制備了一種具有納米分級(jí)結(jié)構(gòu)和成分波動(dòng)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(guò)飽和固溶體結(jié)構(gòu)，元素粉末需經(jīng)歷32小時(shí)的機(jī)械合金化過(guò)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(guò)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?jǐn)?shù)的納米耦合晶粒相和分級(jí)納米沉淀相，其呈現(xiàn)納米分級(jí)結(jié)構(gòu)和成分波動(dòng)特征。納米分級(jí)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(guò)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(huì)促進(jìn)合金在高溫摩擦過(guò)程中快速形成保護(hù)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(qiáng)度。

“與傳統(tǒng)合金相比，該合金的結(jié)構(gòu)由分級(jí)納米耦合晶粒組成，表現(xiàn)出納米尺度的成分波動(dòng)特征，這種獨(dú)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(guò)程中自發(fā)激活自適應(yīng)摩擦界面保護(hù)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(jià)值。”程軍說(shuō)。他認(rèn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

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