第一作者：耿鈺山助理研究員

通訊作者：楊軍研究員程軍研究員Anh Kiet Tieu 教授

通訊單位：中國科學院蘭州化物所伍龍貢大學

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223001640

隨著高端裝備的快速發展，在高溫和重載等復雜工況下運行的摩擦系統和傳動部件越來越依靠固體潤滑技術來實現自適應性的低摩擦和低磨損需求，因為常規的液體潤滑劑在這種復雜熱機械環境中會迅速失效。同時，解決包括衛星、航天器、航空發動機、先進密封系統和高溫熔爐組件等重要現代工業摩擦系統中日益苛刻的寬溫域摩擦和磨損問題也是摩擦學領域的研究目標之一。目前可以有效提升摩擦副在寬溫域真空和大氣條件下的摩擦學性能的方法是利用金屬基體材料和組合固體潤滑劑之間的協同作用來降低摩擦界面的摩擦和磨損。

金屬材料在寬溫域大氣條件下的摩擦磨損過程非常復雜，因為摩擦副之間的滑動過程往往涉及復雜的摩擦化學反應。在這種情形下，固體潤滑復合材料的設計理念則主要是基于選取具有優異承載能力和熱穩定性的合金體系作為基體材料的同時，引入中低溫潤滑劑（室溫~400℃）和高溫潤滑劑（> 600℃）以實現寬溫域減摩和抗磨性能。其中，中低溫潤滑劑主要包括軟金屬（Ag、Au和Pb）、層狀結構的二硫屬化合物（MoS2和WS2）和石墨等；而高溫潤滑劑則包括金屬氟化物（BaF2和CaF2）、六方氮化硼（hBN）、低剪切強度的金屬氧化物（MoO3和PbO等）和金屬無機酸鹽（Ag2MoO4和K2MoO4等）等。然而，基體材料和潤滑相之間的兼容性問題仍然限制了金屬基固體潤滑復合材料的發展，使其摩擦學性能和力學性能之間存在難以克服的互斥現象。因此，在篩選兼備優異強塑協同性和熱穩定性基體材料時，高熵合金自然成為了潛在的備選材料。

然而，高熵合金基固體潤滑復合材料的開發一直局限于以單FCC相或BCC相為主相的高熵合金體系。例如，前期的研究表明在FCC型CoCrFeNi高熵合金中引入Ag-BaF2/CaF2、MoS2-石墨、FeS和Cu[等第二相都可以有效避免摩擦界面的剪切不穩定性，并提升合金體系在寬溫域的減摩和抗磨性能。盡管如此，單相高熵合金基固體潤滑復合材料存在以下兩方面問題。一方面，FCC型高熵合金在摩擦加載過程中發生塑性變形時，其低屈服強度的特性可能會引發有害的組織結構演變，包括晶界遷移控制的晶粒長大和應變驅動的成分偏析。此外，高溫磨損會加劇FCC高熵合金磨損表面的機械軟化和粘著磨損，導致摩擦副之間發生焓引導的材料轉移。另一方面，就變形能力相對較差的BCC高熵合金來說，在摩擦過程中的塑性應變可能被高度限制在頂部磨損表面，從而使表面發生應力集中驅動的微裂紋擴展和磨屑的碎片化，并因此使摩擦副在周期性滑動期間產生嚴重的三體磨損。這種現象可能會在400℃以上的中間溫度更為明顯。

中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室楊軍研究員團隊基于異質性沉淀析出的方法設計了具有近等體積分數耦合相的高熵合金基體，這種基體異于以往以單FCC或BCC為主相的高熵合金基體，并表現出高強度和塑性組合。如圖1所示，合金中的耦合高熵相被證明是由富含（Cr，Fe）的BCC基體相、Ni2TiAl型的L21沉淀相和富含（Cr，Fe，Ni）的FCC沉淀相組成。在高熵合金基體中引入Ag和BaF2/CaF2共晶并不影響耦合高熵相的晶格參數、晶粒尺寸和化學組成，從而保留了合金基體固有的硬度和變形能力。耦合高熵結構的高強度來自于由沉淀強化、荷載傳遞機制和各向同性森林硬化所組成的三級強化效應，使合金體系獲得了1.9 GPa的屈服強度和2.5 GPa的極限抗壓強度。其杰出的塑性（斷裂應變為24.5%）和加工硬化能力是由與幾何必要位錯相關的背應力強化產生的。

圖1  材料的相組成和微觀結構。（a）氬氣霧化的高熵合金粉末以及塊體樣品的XRD圖譜；（b）HEAM的SEM-BSE圖像以及（b1）高倍圖像對應的EDS圖；（c）6HSLC的SEM-BSE圖像；（d）12HSLC的SEM-BSE圖像及其被特定元素覆蓋的EDS圖

所設計的高熵合金基體能夠通過在滑動過程中形成自適應高熵復合材料摩擦層來顯著提高材料整體的耐磨性和熱穩定性。如圖2所示，所設計的(CrFeNi)83(AlTi)17-Ag-BaF2/CaF2復合材料能夠在室溫到800℃保持優異的摩擦學性能，摩擦系數和磨損率分別保持在0.23~0.31和10-6~10-5mm3/Nm數量級，優于已報道的高熵合金基和傳統合金基固體潤滑復合材料。

圖2  （a）三種被測材料的摩擦系數和磨損率隨溫度的變化；（b）COF曲線；（c）設計的HSLC和其它已報道的高性能復合材料在寬溫度范圍內的抗磨和減摩性能的比較

所設計的復合材料在室溫到800℃的寬溫域內具有優異的摩擦學性能，其性能源于滑動過程中基體相和潤滑相之間的良好協同作用，而不是源于合金基體本身的固有機械性能。圖3形象的闡釋了其從室溫到高溫的溫度范圍內所產生的相關磨損和潤滑機制。該耦合高熵相和組合潤滑相可通過在室溫到400℃的大氣摩擦過程中形成小間距的致密潤滑膜有效緩解磨損亞表層的應力集中和變形不均勻，從而避免三體磨損和塑性分層。而在600℃和800℃，其可分別通過自發形成微米級厚度的高熵復合摩擦層或由嵌入潤滑劑顆粒的釉質層和FCC基高熵固溶體再結晶層組成的高熵復合摩擦層來實現低摩擦和磨損。

圖3  12HSLC分別在（a）室溫/400C、（b）600?C和（c）800C滑動過程中與自適應性磨損保護相關的磨損和潤滑機制的示意圖

總之，基于異質高熵合金基固體潤滑復合材料設計方法，即把體積分數接近的耦合高熵相作為基體材料與組合固體潤滑劑相結合是突破以FCC或BCC為主的高熵合金基固體潤滑復合材料性能極限的有效策略。在其他多主元合金體系中開發類似的耦合結構有望擴展高性能金屬基固體潤滑復合材料在航空航天等領域中的應用潛力。