滑動(dòng)磨損是限制最廣泛使用的金屬工程部件的安全性、可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。因此，開發(fā)耐磨的大塊合金或涂層已成為材料科學(xué)的長期目標(biāo)。從經(jīng)驗(yàn)上看，金屬合金的耐磨性與硬度有關(guān)，如Archard方程所示。然而，由于滑動(dòng)表面以下的微觀結(jié)構(gòu)演化，如晶粒生長和晶界弛豫，以及自組織納米層狀結(jié)構(gòu)的自發(fā)形成，已經(jīng)有大量報(bào)道了Archard結(jié)垢的破壞，特別是納米結(jié)構(gòu)金屬。因此，耐磨合金的設(shè)計(jì)不僅要求初始硬度度高，還應(yīng)考慮到磨損時(shí)的結(jié)構(gòu)演變。由高熔點(diǎn)元素組成的復(fù)合合金(CCAs)表現(xiàn)出顯著的強(qiáng)度，這是由于其固有的固溶體強(qiáng)化和緩慢擴(kuò)散，導(dǎo)致熱軟化減弱和晶粒粗化。與傳統(tǒng)合金相比，大多數(shù)復(fù)合合金具有更好的耐磨性，因此是高耐磨合金的有前途的候選人，以緩解磨損相關(guān)的損傷和能量損失。

此外，晶粒細(xì)化也被用于加強(qiáng)和進(jìn)一步提高復(fù)合合金的耐磨性。因此，人們開發(fā)了各種方法來有效合成納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合合金薄膜，如磁控濺射、激光熔覆和電沉積等等，相對(duì)于塊狀粗顆粒的復(fù)合合金薄膜，它們的晶粒尺寸顯著減小。此外，有報(bào)道稱，如果實(shí)現(xiàn)塑性共變形，非晶納米復(fù)合材料可以克服由其單個(gè)組分引起的強(qiáng)度-塑性權(quán)衡，甚至可以接近紅外理論強(qiáng)度。滑動(dòng)磨損過程中的表面氧化也可能促進(jìn)非晶納米復(fù)合材料的形成。如果這種由嵌入非晶基體的晶體納米顆粒組成的納米復(fù)合材料具有相當(dāng)均勻的變形能力，就可以限制滑動(dòng)誘導(dǎo)的開裂和局部斷裂，提高耐磨性。例如，氧化物非晶納米復(fù)合材料表面已被證明可以顯著降低(TiNbZr)-Ag薄膜的磨損率。應(yīng)該關(guān)注的是，升高的溫度促進(jìn)氧化反應(yīng)，在一些復(fù)合合金中形成氧化非晶硅納米復(fù)合材料表面，并有望獲得優(yōu)異的中等溫度耐磨性。

在這項(xiàng)工作中，南方科技大學(xué)的任富增教授等人報(bào)告了一種通過在高溫磨損過程中原位形成非晶納米復(fù)合材料表面層和梯度納米結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)卓越耐磨性的策略。為了證明理論，我們使用體心立方(BCC)納米結(jié)構(gòu)TaMoNb 復(fù)合合金薄膜作為我們的模型系統(tǒng)。該薄膜采用磁控共濺射法制備。用納米孔壓縮試驗(yàn)和納米壓痕法測定了薄膜的力學(xué)性能。然后，我們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G-99進(jìn)行了球在圓盤上的干滑試驗(yàn)，在RT、300℃和400℃條件下的最大接觸應(yīng)力為0.57 GPa。最后，我們檢測了滑動(dòng)表面下的化學(xué)成分和侵蝕截面微觀結(jié)構(gòu)，證實(shí)在300℃的磨損過程中，在非晶氧化物基6體中形成了一種原位形成的納米復(fù)合材料，由單形分布的鉺晶納米顆粒組成，并結(jié)合梯度變形納米結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)均勻滑動(dòng)誘導(dǎo)的塑性變形，從而顯著提高耐磨性。因此，這為在高溫下使用的自適應(yīng)耐磨合金的設(shè)計(jì)提供了重要的見解。

相關(guān)研究成果以題“Superior wear resistance in a TaMoNb compositionally complex alloy film via in-situ formation of the amorphous-crystalline nanocomposite layer and gradient nanostructure”發(fā)表在國際著名期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118503

圖 1

圖1所示。濺射時(shí)TaMoNb薄膜的形貌和相態(tài)。(a-b)頂部和截面視圖的SEM圖像。(c) XRD圖譜。(d)俯視AFM圖像。 

圖 2

圖2所示。濺射時(shí)TaMoNb薄膜的截面TEM表征。(a)顯示薄膜厚度和生長方向(GD)的低倍率明場TEM圖像。(b)和(c)為高倍率TEM圖像和相應(yīng)的SAED模式。(d)柱狀顆粒寬度統(tǒng)計(jì)分布。(e)典型單個(gè)柱狀顆粒的高分辨率TEM圖像。(f)從(e)中矩形區(qū)域截取的IFFT圖像(帶有FFT模式)。(g)所選ta偏析區(qū)域的HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS元素圖。(h)元素分布沿(g)所示黃線的剖面圖。

圖 3

圖3。在RT、300°C和400°C下TaMoNb薄膜的摩擦學(xué)性能。(a-c) 滑動(dòng)距離。(d-f)帶磨損軌跡三維輪廓的二維截面輪廓。

圖4

分別在RT (a-b)、300°C (C -d)和400°C (e-f)滑動(dòng)磨損后磨損軌跡的表面形貌和成分。(a)、(c)、(e)為掃描電鏡圖像，其中箭頭表示SD。(b)、(d)、(f)分別為(a)、(c)、(e)中磨損軌跡中所選區(qū)域?qū)?yīng)的EDS元素圖。 

圖 5

圖5所示。在RT (a-d)、300°C (e-h)和400°C (i-1)下與SisN4球干滑10 m后，獲得了Ta 4f、Mo 3d、Nb 3d和Si 2p的高分辨率XPS譜。

圖 6

圖6所示。在rt處與SisN4球干滑動(dòng)后TaMoNb薄膜的ND-SD截面TEM表征。(a)顯示滑動(dòng)面以下截面微結(jié)構(gòu)的明亮場TEM圖像，插入圖顯示塑性變形區(qū)域的SAED模式。(b) (a)中納米復(fù)合層的SAED圖。(c)納米復(fù)合層中納米顆粒的晶粒尺寸分布。(d)納米顆粒在納米復(fù)合層中被非晶基體包圍的典型高分辨率TEM圖像。(c)在(d)中標(biāo)記的選定區(qū)域的IFFT圖像和FFT模式(插圖)。(f)典型的HAADF-STEM圖像和納米復(fù)合層中納米顆粒對(duì)應(yīng)的EDS元素圖。

圖 7

圖7所示。300℃下與SisN4球干滑后TaMoNb薄膜的ND-SD截面TEM表征(a)亮場TEM圖像，顯示滑動(dòng)表面以下的截面微結(jié)構(gòu)，插入圖顯示塑性變形區(qū)域的SAED模式。(b)納米復(fù)合材料層的SAED圖。(c)納米顆粒在納米復(fù)合層中的晶粒尺寸分布。(d)和(e)分別為納米復(fù)合材料層的高倍率明場和暗場TEM圖像。(f)顯示納米顆粒在納米復(fù)合層中被非晶基體包圍的高分辨率TEM圖像。插入的是所選區(qū)域的FFT模式。(g)納米復(fù)合材料層的HAADF-STEM圖像。(h) (g)中選擇區(qū)域的高倍率HAADF-STEM圖像，以及相應(yīng)的EDS元素圖。

圖 8

圖8所示。400℃下與SisN4球干滑后TaMoNb薄膜的ND-SD截面TEM表征(a)亮場TEM圖像，顯示滑動(dòng)表面以下的截面微結(jié)構(gòu)，釉面層中標(biāo)記有裂紋。(b)和(c)分別為釉層高倍率明場和暗場TEM圖像。(d)納米復(fù)合材料層的SAED圖。(e)非晶-晶納米復(fù)合材料表面層中納米顆粒的統(tǒng)計(jì)粒度分布。(f)被氧化非晶基體包圍的納米顆粒的高分辨率TEM圖像。(g) HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS元素圖

圖 9

圖9所示。(a)高分辨率TEM圖像和(b)在300°c磨損的TaMoNb薄膜的最表層(-50 nm深度)拍攝的相應(yīng)IFFT圖像。(c)從梯度納米結(jié)構(gòu)磨損的亞表面拍攝的TEM圖像，顯示了與SD平行的循環(huán)滑動(dòng)引起的納米層合結(jié)構(gòu)。(d)標(biāo)記在(c)中的選定區(qū)域的高分辨率TEM圖像。(e)和(f)標(biāo)記在(d)中的選定區(qū)域的對(duì)應(yīng)IFFT圖像，顯示了梯度納米結(jié)構(gòu)磨損亞表面中B-Ta相的形成。(g)新形成的ß-Ta相的HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS元素圖。(h)沿黃色線ij (g)的元素分布線圖。

圖 10

圖10所示。不同溫度下滑動(dòng)磨損過程中亞表面微觀組織演變示意圖。

圖 11

圖11所示。與相同納米孔直徑為500 nm的濺射TaMoNb薄膜相比，滑動(dòng)磨損誘導(dǎo)納米復(fù)合材料的力學(xué)性能和梯度納米結(jié)構(gòu)。(a)濺射TaMoNb薄膜納米顆粒在(al)和(a2)壓縮前后的掃描電鏡圖像。(b)壓縮前(bl)和壓縮后(b2)由納米復(fù)合材料(I)和梯度納米結(jié)構(gòu)(II)組成的納米孔的SEM圖像。(c)典型的壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

綜上所述，在這項(xiàng)工作研究了磁控管濺射TaMoNb薄膜在室溫和高溫下的干滑動(dòng)磨損行為。為了解磨損機(jī)理，本文采用微柱壓縮和納米壓痕DMA技術(shù)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并對(duì)其截面磨損誘導(dǎo)的微觀組織進(jìn)行了詳細(xì)的表征。由納米級(jí)和柱狀晶粒組成的TaMoNb薄膜具有20 GPa的超高硬度。由嵌入在非晶基體中的納米顆粒和具有梯度納米結(jié)構(gòu)的塑性變形層組成的納米復(fù)合層。在300°C時(shí)生成的納米復(fù)合層致密，由均勻嵌入在非晶氧化物基體中的僅-6 nm的等軸納米顆粒組成。在400°C，則沒有明顯的塑性變形層，取而代之的是一層薄的非晶態(tài)層。原位形成的非晶納米復(fù)合層和300°C磨損過程中產(chǎn)生的梯度納米結(jié)構(gòu)促進(jìn)塑性共變形，從而抑制滑移引起的開裂和局部斷裂。因此，TaMoNb薄膜在300°C下的磨損率顯著降低，小于RT和400°C下的25%磨損率。

因此，我們展示了一種通過非晶-非晶態(tài)納米復(fù)合材料層和梯度納米結(jié)構(gòu)通過設(shè)計(jì)形成耐磨合金的方式。