兰州化物所Research：宽温域高耐磨复杂成分合金

宽温度范围（室温至800 ℃）内具有低摩擦磨损特性的金属材料在航空航天、核能等先进装备运动、传动系统具有重要的应用前景和价值。近年来发展的新型高熵合金材料具有诸多新奇特性，为设计制备高性能的金属基润滑耐磨损材料提供了崭新的空间，是目前材料学和摩擦学研究的热点和前沿。

中国科学院兰州化学物理研究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/中熵合金设计制备及性能调控等方面进行了较系统的研究，并取得了较重要进展。近期，研究人员提出构筑多级纳米异质结构和成分波动来获得极低磨损合金的新策略。采用高熵理念设计制备了一种新型Ni₅₀(AlNbTiV)₅₀复杂成分合金，在室温至800 ℃范围，合金的磨损率在10^-7-10^-6 mm³N^-1m^-1量级，是目前有报道的宽温域耐磨损性能最好的金属类材料，该材料作为高温抗磨材料具有重要的应用价值。该合金的宽温域耐磨性比包括商用耐磨钢（不锈钢、轴承钢和低碳钢）、传统镍基合金（Ni₃Al/NiAl基合金）、高性能高熵合金及自润滑复合材料等材料低一到三个数量级，特别是在室温和800 ºC展现了最高耐磨性。成果以题为“Remarkable Wear Resistance in a Complex Concentrated Alloy with Nanohierarchical Architecture and Composition Undulation”发表于Research。

【图文导图】

图1  Ni₃X和NiX的相组成和微观结构。

（a）Ni₃X和（b）NiX晶粒结构的BF-TEM图像和SAED图谱，其中插图为统计的片层厚度或晶粒尺寸分布；（c）A1-A3纳米耦合晶粒和A2纳米沉淀的HRTEM图像；右侧：标记的方框区域所对应的IFFT和FFT图像；（d）组成相的HAADF-STEM图像和对应的相图

图2  Ni₃X和NiX中各相的化学成分。

（a）Ni₃X和（b）NiX的BF-TEM图像及对应的EDS相图；（c，d）通过EDS线扫获得的图412a和c中标记区域中沿异质相的成分波动

图3  当前合金与其它报道的块体合金和复合材料在宽温域内的耐磨性对比

图4  Ni₃X和NiX在室温磨损后的亚表面微观结构。

（a，b）Ni₃X的磨损诱导的亚表面结构的BF-TEM图像；（c）NiX的磨损诱导的亚表面结构的BF-TEM图像；插图：平均晶粒尺寸沿深度的变化；（d）从NiX的磨损表面沿深度方向的施加应力和屈服强度的变化示意图；分别沿NiX表面深度方向扩展（e）200 nm、（f）700 nm和（g）1.6 μm处的BF-TEM图像；（e₁）HRTEM图像及其相应的FFT/IFFT显示了纳米耦合晶粒内的纳米级变形孪晶；（f₁-f₃）HRTEM图像及其相应的FFT/IFFT显示了由不同滑移系的两个不全位错反应形成的LC锁；（g₁-g₃）HAADF-STEM图像和相应的FFT和IFFT显示了A2相周围的高密度纳米变形孪晶

图5  Ni₃X和NiX在800 ºC磨损后的亚表层结构。（a）Ni₃X氧化层的BF-TEM图像；（b）Ni₃X的亚表面层的HAADF-STEM图像及对应的EDS图；（c）NiX磨损亚表面层的BF-TEM图像；（d）NiX亚表面层的HAADF-STEM图像及对应的EDS图

论文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0160