第一作者：耿钰山助理研究员

通讯作者：杨军研究员程军研究员Anh Kiet Tieu 教授

通讯单位：中国科学院兰州化物所伍龙贡大学

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223001640

随着高端装备的快速发展，在高温和重载等复杂工况下运行的摩擦系统和传动部件越来越依靠固体润滑技术来实现自适应性的低摩擦和低磨损需求，因为常规的液体润滑剂在这种复杂热机械环境中会迅速失效。同时，解决包括卫星、航天器、航空发动机、先进密封系统和高温熔炉组件等重要现代工业摩擦系统中日益苛刻的宽温域摩擦和磨损问题也是摩擦学领域的研究目标之一。目前可以有效提升摩擦副在宽温域真空和大气条件下的摩擦学性能的方法是利用金属基体材料和组合固体润滑剂之间的协同作用来降低摩擦界面的摩擦和磨损。

金属材料在宽温域大气条件下的摩擦磨损过程非常复杂，因为摩擦副之间的滑动过程往往涉及复杂的摩擦化学反应。在这种情形下，固体润滑复合材料的设计理念则主要是基于选取具有优异承载能力和热稳定性的合金体系作为基体材料的同时，引入中低温润滑剂（室温~400℃）和高温润滑剂（> 600℃）以实现宽温域减摩和抗磨性能。其中，中低温润滑剂主要包括软金属（Ag、Au和Pb）、层状结构的二硫属化合物（MoS2和WS2）和石墨等；而高温润滑剂则包括金属氟化物（BaF2和CaF2）、六方氮化硼（hBN）、低剪切强度的金属氧化物（MoO3和PbO等）和金属无机酸盐（Ag2MoO4和K2MoO4等）等。然而，基体材料和润滑相之间的兼容性问题仍然限制了金属基固体润滑复合材料的发展，使其摩擦学性能和力学性能之间存在难以克服的互斥现象。因此，在筛选兼备优异强塑协同性和热稳定性基体材料时，高熵合金自然成为了潜在的备选材料。

然而，高熵合金基固体润滑复合材料的开发一直局限于以单FCC相或BCC相为主相的高熵合金体系。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稳定性，并提升合金体系在宽温域的减摩和抗磨性能。尽管如此，单相高熵合金基固体润滑复合材料存在以下两方面问题。一方面，FCC型高熵合金在摩擦加载过程中发生塑性变形时，其低屈服强度的特性可能会引发有害的组织结构演变，包括晶界迁移控制的晶粒长大和应变驱动的成分偏析。此外，高温磨损会加剧FCC高熵合金磨损表面的机械软化和粘着磨损，导致摩擦副之间发生焓引导的材料转移。另一方面，就变形能力相对较差的BCC高熵合金来说，在摩擦过程中的塑性应变可能被高度限制在顶部磨损表面，从而使表面发生应力集中驱动的微裂纹扩展和磨屑的碎片化，并因此使摩擦副在周期性滑动期间产生严重的三体磨损。这种现象可能会在400℃以上的中间温度更为明显。

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杨军研究员团队基于异质性沉淀析出的方法设计了具有近等体积分数耦合相的高熵合金基体，这种基体异于以往以单FCC或BCC为主相的高熵合金基体，并表现出高强度和塑性组合。如图1所示，合金中的耦合高熵相被证明是由富含（Cr，Fe）的BCC基体相、Ni2TiAl型的L21沉淀相和富含（Cr，Fe，Ni）的FCC沉淀相组成。在高熵合金基体中引入Ag和BaF2/CaF2共晶并不影响耦合高熵相的晶格参数、晶粒尺寸和化学组成，从而保留了合金基体固有的硬度和变形能力。耦合高熵结构的高强度来自于由沉淀强化、荷载传递机制和各向同性森林硬化所组成的三级强化效应，使合金体系获得了1.9 GPa的屈服强度和2.5 GPa的极限抗压强度。其杰出的塑性（断裂应变为24.5%）和加工硬化能力是由与几何必要位错相关的背应力强化产生的。

图1  材料的相组成和微观结构。（a）氩气雾化的高熵合金粉末以及块体样品的XRD图谱；（b）HEAM的SEM-BSE图像以及（b1）高倍图像对应的EDS图；（c）6HSLC的SEM-BSE图像；（d）12HSLC的SEM-BSE图像及其被特定元素覆盖的EDS图

所设计的高熵合金基体能够通过在滑动过程中形成自适应高熵复合材料摩擦层来显著提高材料整体的耐磨性和热稳定性。如图2所示，所设计的(CrFeNi)83(AlTi)17-Ag-BaF2/CaF2复合材料能够在室温到800℃保持优异的摩擦学性能，摩擦系数和磨损率分别保持在0.23~0.31和10-6~10-5mm3/Nm数量级，优于已报道的高熵合金基和传统合金基固体润滑复合材料。

图2  （a）三种被测材料的摩擦系数和磨损率随温度的变化；（b）COF曲线；（c）设计的HSLC和其它已报道的高性能复合材料在宽温度范围内的抗磨和减摩性能的比较

所设计的复合材料在室温到800℃的宽温域内具有优异的摩擦学性能，其性能源于滑动过程中基体相和润滑相之间的良好协同作用，而不是源于合金基体本身的固有机械性能。图3形象的阐释了其从室温到高温的温度范围内所产生的相关磨损和润滑机制。该耦合高熵相和组合润滑相可通过在室温到400℃的大气摩擦过程中形成小间距的致密润滑膜有效缓解磨损亚表层的应力集中和变形不均匀，从而避免三体磨损和塑性分层。而在600℃和800℃，其可分别通过自发形成微米级厚度的高熵复合摩擦层或由嵌入润滑剂颗粒的釉质层和FCC基高熵固溶体再结晶层组成的高熵复合摩擦层来实现低摩擦和磨损。

图3  12HSLC分别在（a）室温/400C、（b）600?C和（c）800C滑动过程中与自适应性磨损保护相关的磨损和润滑机制的示意图

总之，基于异质高熵合金基固体润滑复合材料设计方法，即把体积分数接近的耦合高熵相作为基体材料与组合固体润滑剂相结合是突破以FCC或BCC为主的高熵合金基固体润滑复合材料性能极限的有效策略。在其他多主元合金体系中开发类似的耦合结构有望扩展高性能金属基固体润滑复合材料在航空航天等领域中的应用潜力。