第一作者：李浩哲

通訊作者：李小琳，王海豐

通訊單位：西北工業大學

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.02.016

本文設計并制備了AlCr_0.5NbTa_xTi_4–x (x = 0, 0.5, 1；分別命名為Ta0，Ta0.5和Ta1)難熔高熵合金，其中Ta1合金在高溫下表現出優異的力學及耐磨性能。通過向合金中引入并調控Ta元素的含量，使合金發生更為劇烈的晶格畸變，從而以增強固溶強化效應的方式來提高合金的高溫強度。此外，還觀察到了在高溫下由摩擦和氧化共同作用形成的納米多層結構。Ta元素在最表層的氧化摩擦層中形成了具有高溫潤滑作用的Ta₂O₅，進一步改善了合金的高溫耐磨性能，最終使Ta1合金在800 ℃時的磨損率低至4.40×10^–7 mm³/N·m。該研究從組成成分和組織形貌等方面討論了摩擦層對合金減摩抗磨能力的影響，為設計開發新型高溫高強耐磨合金提供了一種新思路。

圖1 Ta0和Ta1合金在室溫和800 ℃的磨損機理示意圖

難熔高熵合金是超高溫環境服役的理想材料，然而許多難熔高熵合金表現出室溫脆性，且抗氧化性能和相穩定性較差，這阻礙了其高溫下的長期服役前景。目前主要通過向合金中引入Al、Cr等元素，或生成AlTaO₄和CrTaO₄等復合氧化物來改善抗氧化性能，但往往使合金的塑性下降。而Hf_0.5Nb_0.5Ta_0.5Ti_1.5Zr合金密度低，在室溫下有著良好的塑性，因此可對其組元中抗氧化性能較差的Hf、Zr等元素進行替換，以實現高溫下的抗氧化性能、力學性能和耐磨性能相匹配。因此，通過成分設計調控合金在高溫下的摩擦及氧化產物，是改善其高溫耐磨性能的關鍵。本文詳細研究了Ta元素對組織結構的影響以及合金的高溫摩擦學行為，探討了不同溫度下的磨損機制演變規律及高溫摩擦梯度結構的形成機理。

（1） 設計了成分為 AlCr_0.5NbTa_xTi_4-x（x=0、0.5、1）的難熔高熵合金，其在高溫下表現出優異的耐磨性能。

（2） 闡明了合金在不同溫度下的磨損機制變化，明晰了Ta元素對合金高溫耐磨性能的影響。

（3） 為合金在高溫嚴苛環境的應用提供理論基礎和潛在材料選擇。

圖2 (a)三種合金在不同溫度下的磨損率對比；(b)合金在800 ℃時的磨損率放大圖

圖3 (a-c)三種合金在不同溫度下的磨痕輪廓對比；(d) Ta1合金在不同溫度下的三維磨痕形貌圖

Ta0.5和Ta1合金的磨損率在高溫下均低于Ta0合金，且隨著Ta元素含量的增加磨損率呈現降低的趨勢。各合金磨痕輪廓隨溫度的變化趨勢比較類似，在室溫下的磨痕中觀察到了寬且深的磨損軌跡。隨著溫度的升高，磨痕尺寸顯著減小。磨痕截面輪廓在室溫和200 ℃時波動最為明顯，這是由于在較低溫度摩擦時產生劇烈的黏著和剝落。通過Ta1合金從室溫到800 ℃的磨痕三維輪廓形貌看以看出隨著溫度的升高，磨痕的尺寸在長度、寬度和深度三個方向上均顯著減小。

圖4 800 ℃時(a, d) Ta0；(b, e) Ta0.5；(c, f) Ta1合金磨損截面組織及其放大圖

圖5 Ta1 合金在800 ℃摩擦后的橫截面微觀結構：(a)磨痕表面的SEM顯微組織，(c-e)分別為(b)和(c)中紅色方框的HAADF和EDS圖像

圖6 Ta0 合金在800 ℃摩擦后的磨痕截面TEM形貌像：(a)磨痕截面的明場像以及區域A和B的SAED圖；(b, c)氧化摩擦層的暗場相和晶粒尺寸分布圖；(d) O、Al、Cr、Nb和Ti元素分布的HAADF形貌像；(e, f)氧化物層中層狀結構的HRTEM圖像和FFT衍射譜

通過對比合金的磨痕截面組織形貌，發現Ta0合金出現了明顯剝落和凹坑（圖4a），導致其磨損率高于其他兩種合金。在Ta0.5合金中觀察到了微裂紋（圖 4b和e），而Ta1合金只存在微犁溝（圖4c和f）。為了進一步觀察高溫摩擦后組織演變規律并分析耐磨性能強化機理，通過TEM對Ta1和Ta0合金的磨痕亞表層組織進行分析。兩種合金中均出現了由最表層的氧化摩擦層、次表層的摩擦變形層和最下方的未變形的氧化物層共同組成的層狀組織。通過對氧化摩擦層進行衍射標定，發現Ta0合金的氧化摩擦層由TiO₂和Al₂O₃組成， Ta1合金則為TiO₂和Ta₂O₅，這種成分上的差異使Ta1合金獲得了最佳的耐磨性能。此外，由納米晶組成的氧化摩擦層通過對位錯的釘扎和限制，使合金表面硬化。而摩擦變形層的存在可以起到防止變形進一步向下擴展的作用，并對摩擦力和剪切力起到一定的緩沖作用，最終在共同作用下使合金的高溫耐磨性能得到大幅提升。

本文研究了AlCr_0.5NbTa_xTi_4–x (x = 0, 0.5, 1)難熔高熵合金的高溫力學及耐磨性能。對合金的磨痕表面、磨痕截面和對磨副的微觀形貌以及磨痕亞表層組織演變規律進行了詳細分析。隨著實驗溫度的升高，合金主要的磨損機制由室溫下的黏著磨損和磨粒磨損轉變為高溫下的氧化磨損。在高溫氧化和摩擦力的共同影響下，形成了由最上方的氧化摩擦層、中間的摩擦變形層以及最下方的氧化物層組成的摩擦層，使合金獲得了優異的高溫耐磨性能。合金的高溫耐磨性能拓寬了其在高溫環境下的應用前景，為設計開發新型高溫高強耐磨合金提供了一種新思路。