近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授任富增課題組提出通過(guò)晶粒結(jié)構(gòu)納米化、晶界原子偏聚和引入高密度共格納米析出相等調(diào)控合金界面結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的新策略實(shí)現(xiàn)室溫和高溫超高耐磨性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Acta Materialia上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.039

滑動(dòng)磨損是影響金屬構(gòu)件服役壽命的重要因素之一。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型高強(qiáng)度、超耐磨合金材料對(duì)保證在惡劣工況環(huán)境中服役的工程構(gòu)件的可靠性、耐久性和高效性至關(guān)重要。在較低的服役溫度下，金屬構(gòu)件的耐磨性能主要取決于材料的硬度和摩擦過(guò)程中材料亞表面的微觀結(jié)構(gòu)演變；而在高溫服役環(huán)境中，材料表面不僅受到摩擦接觸帶來(lái)的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力，而且容易產(chǎn)生熱軟化和高溫氧化，從而極大影響材料的磨損性能，高溫摩擦環(huán)境中復(fù)雜的力-熱作用對(duì)金屬晶粒結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提出了更苛刻的要求。

鈦合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫以及良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在骨、牙科等生物醫(yī)療以及汽車(chē)、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)鈦合金具有一個(gè)不可忽視的缺點(diǎn)：耐磨性能差（與氧化鋁對(duì)磨時(shí)，磨損率在10-2–10-3 mm3/N·m），極大限制了其在嚴(yán)苛環(huán)境中的廣泛應(yīng)用。例如，在生物醫(yī)療領(lǐng)域，低耐磨性會(huì)導(dǎo)致鈦合金植入體松動(dòng)，而且假體周?chē)哪p顆粒會(huì)引發(fā)炎癥，這是導(dǎo)致假體置換手術(shù)失敗和再手術(shù)翻修的主要原因之一。因此，提高鈦合金的耐磨損性能對(duì)鈦合金服役耐久性尤為重要。

圖1. TiMoNb合金的微觀結(jié)構(gòu)分析：(a) XRD；(b) EBSD取向成像圖；(c) HAADF-STEM圖像；(d) BF-TEM圖像；(e) Ti、Mo、Nb元素分布圖；(f) 和(g) 分別為B1基體相和B2析出相的晶粒尺寸分布圖

基于此，任富增課題組提出通過(guò)晶粒結(jié)構(gòu)納米化、晶界原子偏聚和引入高密度共格納米析出相的策略實(shí)現(xiàn)了合金在室溫及高溫環(huán)境下的超高耐磨性能。課題組研究人員在對(duì)合金相圖大量篩選和熱力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上，選取等原子比TiMoNb合金為模型體系，從經(jīng)典的強(qiáng)化機(jī)制出發(fā)設(shè)計(jì)成分和制備工藝，主要的強(qiáng)化思路包括以下幾個(gè)方面：

一是固溶強(qiáng)化：Ti、Mo、Nb三種元素相互之間有著極大的固溶度，其中Mo-Nb完全固溶，且三種元素之間不會(huì)形成金屬間化合物，保證了固溶強(qiáng)化的效果；

二是共格界面：三種元素具有非常接近的原子半徑（rTi = 1.46?、rMo = 1.36?、rNb = 1.43?）且均為體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)，有助于共格界面的形成；

三是析出強(qiáng)化：Ti-Mo和Ti-Nb的二元相圖顯示，在850℃左右，會(huì)有少量Ti從bcc基體中析出，為析出強(qiáng)化帶來(lái)了可能；

四是細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)機(jī)械合金化和放電等離子體快速燒結(jié)(SPS)的手段以期制備出超細(xì)晶/納米晶基體，并最終獲得細(xì)晶強(qiáng)化的效果；

五是Ti、Mo、Nb三種合金元素常見(jiàn)于傳統(tǒng)耐高溫合金體系，是該合金服役于高溫環(huán)境的前提條件。

課題組通過(guò)優(yōu)化高能球磨和SPS工藝成功制備出了致密度大于99%，硬度高達(dá)650 HV的塊體TiMoNb合金。

圖2. TiMoNb合金的界面分析：(a) 相鄰B1/B2晶粒的HRTEM圖像；(b) B1晶粒的IFFT和對(duì)應(yīng)的FFT圖像（插圖）；(c) B2晶粒的IFFT和對(duì)應(yīng)的FFT圖像（插圖）；(d) 相鄰B1/B1晶粒的HRTEM圖像；(e) APT測(cè)得的Ti-50 at.%等濃度面；(f) Ti-50 at.%等濃度面左右的Ti、Mo、Nb元素成分變化；(g) Ti原子分布圖；(h) 與(g)中灰色區(qū)域?qū)?yīng)的Ti、Mo、Nb元素成分變化；(i) TiMoNb合金微觀結(jié)構(gòu)的示意圖

微觀結(jié)構(gòu)分析表明，該合金由兩相組成，包括平均晶粒尺寸(d)為188 nm的B1基體相和彌散分布的富Ti B2析出相（d = 79 nm; 7 vol.%），B1和B2兩相為共格界面。借助三維原子探針（3D APT）技術(shù)，在B1/B2界面處發(fā)現(xiàn)Ti原子偏聚，界面厚度約3nm，充分說(shuō)明實(shí)驗(yàn)之初設(shè)計(jì)的強(qiáng)化機(jī)制在該合金中均得到體現(xiàn)。以氧化鋁球?yàn)槟Σ粮保ㄓ捕葉1500 HV），對(duì)TiMoNb合金的耐磨損性能測(cè)試結(jié)果表明：在室溫下，TiMoNb合金與氧化鋁的磨損率在同一數(shù)量級(jí)，（10-4（mm3/N·m）；在600℃時(shí)，TiMoNb合金的磨損率低至3.15×10-6mm3/N·m，顯示了該合金具有超高的耐磨性能，極大突破了傳統(tǒng)鈦合金的耐磨性。課題組在對(duì)磨痕表面及亞表面的成分結(jié)構(gòu)深入表征分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示疲勞裂紋的起源，闡明了其在室溫和高溫環(huán)境中的磨損機(jī)制。

任富增介紹，該研究成果對(duì)服役于極端環(huán)境的新型高強(qiáng)耐磨合金設(shè)計(jì)提供了新思路，將有助于開(kāi)拓多主元合金在耐磨損領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)用于嚴(yán)苛環(huán)境的高強(qiáng)度、耐磨損、熱穩(wěn)定合金具有一定意義，且為拓展界面相工程在多主元高熵合金領(lǐng)域的應(yīng)用挖掘了潛在研究方向。本研究中開(kāi)發(fā)出的TiMoNb合金除可用于高溫耐磨材料之外，其高強(qiáng)度、良好的生物相容性、耐腐蝕性使其在牙科、骨科等醫(yī)用植入材料領(lǐng)域亦有廣泛的應(yīng)用前景。

2016級(jí)南科大-澳門(mén)大學(xué)聯(lián)培博士生朱微微為論文第一作者，任富增為論文唯一通訊作者；澳門(mén)大學(xué)機(jī)電工程系教授郭志達(dá)為朱微微的聯(lián)培合作導(dǎo)師，對(duì)研究工作提出了指導(dǎo)意見(jiàn)；香港理工大學(xué)機(jī)械工程系教授焦增寶和香港城市大學(xué)材料科學(xué)與工程系欒軍華博士負(fù)責(zé)完成了本研究的3D APT表征。南方科技大學(xué)為第一單位和通訊單位。本項(xiàng)研究得到了深圳市基礎(chǔ)研究學(xué)科布局項(xiàng)目、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助以及南科大皮米中心的技術(shù)支持。