金属顶刊《Acta Materialia》一种可承受高温磨损的新型强珠光体多主元合金！

2022-02-24 13:30:44 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：在高温下具有高耐磨性的合金在现代极端工作条件下的应用是非常需要的。传统的纳米层状珠光体结构可以大大提高钢的强度和耐磨性，但不具有耐热性。本文制备一种新的耐高温珠光体结构，通过经典的共析反应将珠光体结构从单主元素铁合金转变为一种新开发的多主元素合金（MPEA），从而活化珠光体结构，产生纳米大小的层状组织。利用MPEAs的热稳定性，形成强珠光体，不仅显著提高了MPEA的室温耐磨性，更重要的是，它使MPEA具有优异的高温强度和耐磨性。因此，珠光体结构是高性能MPEA在微结构设计中值得追求的方向。

钢中的珠光体结构是在100多年前由索比发现的。钢珠光体是由铁素体和硬渗碳体组成的纳米级片层结构，在滑动磨损过程中能够塑性变形并使铁素体和渗碳体片层向应变方向重新排列。这种再取向增加了接触中硬渗碳体的面积分数，从而导致珠光体组织具有较高的耐磨性，因此珠光体钢通常具有高强度和良好耐磨性的结合，在钢轨上有广泛的应用。然而，在钢中，由于碳原子在形成珠光体中起着重要的作用，但它们在高温下扩散非常快，因此当温度升高时，渗碳体相会粗化和球化，甚至变得不稳定，导致分解。因此，珠光体钢不能满足在高温下工作的耐磨部件的要求。保持如此坚固的层状结构在高温下仍然稳定是值得探索的。

1995年提出的多主元合金具有独特的缓慢扩散特性，其晶格势能波动较大，导致了较强的阱效应，因而扩散速率较低。缓慢的扩散效应使MPEAs具有显著的高温结构稳定性。除了热稳定性外，MPEAs还具有另一个共同特征，即严重的晶格畸变，从而提高了强度。因此，MPEAs在高温下可以相当坚固和抗软化。如果在MPEAs中可以形成层状结构，由于缓慢的扩散效应，它们应该比钢珠光体更具有热稳定性。几个研究小组一直在研究由相变形成的MPEAs中的层状结构，并成功地通过共晶转变形成了具有非常有趣的力学性能的共晶层状结构。然而，共晶层状结构是在高温下由液体形成的，因此层状结构相当粗糙（通常有几百纳米厚）。因此，在较低的温度下制备层状结构可以得到更细的尺度间距，珠光体和不连续析出相就是两个例子。Banerjee团队的工作中发现了更精细的层状结构。但它是由界面后面面心立方（FCC）和体心立方（BCC）片层的不连续沉淀再分解（即沉淀，然后再沉淀），还是通过共析分解反应形成的，目前还不十分清楚。此外，高温力学性能也未被发现。

在本研究中，来自东南大学材料科学与工程系和常州大学材料科学与工程学院的X.L. An等人证明了通过经典的共析反应形成的珠光体结构（A→B+C），旨在将该结构应用于一些需要软化和耐磨的高温应用中，如瞬时温度可达600℃的航空母舰拦阻电缆。本研究的重点在于珠光体的微观组织及其在相变过程中的演变，珠光体对MPEAs硬度及其热稳定性的影响，珠光体MPEAs在室温和600℃以上的高温下的磨损性能及其磨损机理。该研究为高温耐磨MPEAs的设计提供了一种新的结构选择。相关研究成果以题“A new strong pearlitic multi-principal element alloy to withstand wear at elevated temperatures”发表在Acta Materialia（材料学报）上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422000866

图1所示：利用Thermo-Calc软件TCHEA4数据库和XRD谱图计算Fe44.5Co25.4Ni24.4Ti5.7 （Fe-26.3Co-25.2Ni-4.8Ti （wt.%））的相图。（a）冷轧试样的等长体，（b）相的摩尔分数随温度的变化，（c）冷轧试样的XRD谱。

图2所示：在500℃时扫描电镜图像显示珠光体的演化。（a） 500°C 10min，（b） 500°C 3h 20min，（c, d） 500C 14h。

图3所示：经过14 h的相变处理，在500℃下形成的珠光体经SEM、TEM和STEM/EDS表征。（a） BCC和Ni3Ti薄片的SEM图像，（b） HRTEM图像，FFT图分别如图（c）和（d）所示，（e） TEM BF图像，插入电子衍射图（f），（g, h） Ni和Ti的STEM/EDS元素映射，表明Ni-Ti富集。

图4所示：在550℃、600℃和650℃时形成的珠光体的微观结构特征。（a, e, i） SEM图像，（b, f, j） TEM BF图像，（c, g, k） Ni的STEM/EDS映射，（d, h, l） Ti的STEM/EDS映射。

图5所示：MPEA珠光体的组织与磨损性能。（a）在不同温度硬度、层间距和室温磨损率的珠光体转变，（b）在珠光体转变于500°C期间硬度进化和磨损率改善MPEA, （C）在500, 550和600°C滑动条件下于500和650°C高温磨损率的珠光体的形成，（d）在室温、500、550、600℃滑动条件下，在500、650℃条件下珠光体的摩擦系数。

图6所示：MPEA珠光体的热稳定性研究。（a） 500℃和550℃时珠光体的硬度变化，（b） 500℃等温保存14 h的MPEA珠光体的TEM BF图像（峰值硬度），以及（C） 500℃等温保存300 h的MPEA珠光体的TEM BF图像。

图7所示：各种现有高速钢和MPEA的磨损率，包括本工作中新开发的MPEA珠光体和轨道钢（U75V）。

图8所示：室温和高温磨损试验后不同珠光体组织磨损轨迹的SEM表征。（a）在室温条件下磨损的500℃珠光体，（b）在室温条件下磨损的550℃珠光体，（C）在室温条件下磨损的600℃珠光体，（d）在室温条件下磨损的650℃珠光体，（e, f）在550℃条件下室温磨损的650℃珠光体。

图9所示：550℃滑动测试后650℃珠光体磨损轨迹下亚表面的SEM表征及亚表面演变示意图。（a）扫描电镜图，（b）示意图。

图10所示：650°C MPEA珠光体在550°C磨损试验条件下磨损亚表面的截面观察。（a） STEM BF图像，（b-h） Pt、O、Fe、Co、Ni、Ti和Al的EDS映射，（i）放大的氧化层STEM HAADF图像，（j）在图像（j）中的黄色点状区域的FFT模式（k） HRTEM氧化层图像证实了Fe3O4的形成。（读者可参考本文的网络版，以解释本图例中有关颜色的参考资料。）

图11所示：650°C珠光体在550°C磨损试验条件下磨损亚表层II和III的横断面观察。（a - c） HAADF干细胞图像和EDS映射镍和钛（d、g） HAADF茎形象和EDS的映射Ni的再结晶区域，（e、h） HAADF干细胞图像和EDS映射粗镍的再结晶区域，（f、i） HAADF杆不受影响区域的图像和EDS Ni的映射。

图12所示：在550℃下进行磨损试验后，在相同的热历史条件下，在两个不同的位置进行磨损试验，在650℃，珠光体截面发生转变。（a）磨损轨道以下和（b）未受磨损表面以下。

图13所示：在550℃拉伸试验条件下，650℃温度下形成MPEA珠光体的力学性能。（a）工程应力-应变曲线，（b）真实应力-应变曲线，（c） Kocks-Mecking图。

图14所示：动态再结晶层Ⅱ-a的TEM图像。（a, b） TEM BF图，（c） HRTEM图，（d） FFT图显示的Ni3Ti晶粒。

总结：在MPEA中设计了Fe44.5Co25.4Ni24.4Ti5.7的共析反应，在500 至 650℃范围内的等温热处理过程中，由FCC转变为BCC和Ni3Ti。片层状珠光体组织首先在FCC晶界上成核，然后向内部晶粒生长直至完全占据，与常规钢珠光体相比，由于取代元素扩散较慢，片层状MPEA珠光体更细小。与钢珠光体相似，MPEA珠光体的层间距也可以通过相变温度来调节，相变温度越高，层间距越大，相变温度在500 ~ 650℃范围内为26±4 ~ 59.5±13.3 nm。因此，珠光体含量和层间距对合金的硬度均有影响。因为在MPEAs缓慢扩散效果，珠光体展品良好的热稳定性在500°C和550°C,尽管在长时间热处理直到600 h过程中珠光体的硬度不断减少，但是其下降率并不明显。

MPEA珠光体的高硬度也使其在室温和高温下具有优异的耐磨性。在室温下磨损率低至？2×10?5mm?3/Nm ，在高温下（550和600℃）磨损率低于3×10?5mm?3/Nm。磨料磨损是室温下的主要磨损机制，MPEA珠光体的磨损速率与硬度呈典型的负相关关系，符合Archard定律。氧化和分层磨损是高温下的主要磨损机制，这是因为在磨损轨道上形成了致密的保护性氧化层，以及具有足够热强度和热稳定性的高应变硬化纳米晶粒。因此，MPEA珠光体结构是一种值得进一步研究和优化的具有应用前景的高性能合金结构。

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