寬溫度范圍（室溫至800 ℃）內(nèi)具有低摩擦磨損特性的金屬材料在航空航天、核能等先進裝備運動、傳動系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用前景和價值。近年來發(fā)展的新型高熵合金材料具有諸多新奇特性，為設(shè)計制備高性能的金屬基潤滑耐磨損材料提供了嶄新的空間，是目前材料學(xué)和摩擦學(xué)研究的熱點和前沿。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室高溫摩擦學(xué)課題組在新型潤滑耐磨損高熵/中熵合金設(shè)計制備及性能調(diào)控等方面進行了較系統(tǒng)的研究，并取得了較重要進展。近期，研究人員提出構(gòu)筑多級納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分波動來獲得極低磨損合金的新策略。采用高熵理念設(shè)計制備了一種新型Ni₅₀(AlNbTiV)₅₀復(fù)雜成分合金，在室溫至800 ℃范圍，合金的磨損率在10^-7-10^-6 mm³N^-1m^-1量級，是目前有報道的寬溫域耐磨損性能最好的金屬類材料，該材料作為高溫抗磨材料具有重要的應(yīng)用價值。該合金的寬溫域耐磨性比包括商用耐磨鋼（不銹鋼、軸承鋼和低碳鋼）、傳統(tǒng)鎳基合金（Ni₃Al/NiAl基合金）、高性能高熵合金及自潤滑復(fù)合材料等材料低一到三個數(shù)量級，特別是在室溫和800 ºC展現(xiàn)了最高耐磨性。成果以題為“Remarkable Wear Resistance in a Complex Concentrated Alloy with Nanohierarchical Architecture and Composition Undulation”發(fā)表于Research。

圖1  Ni₃X和NiX的相組成和微觀結(jié)構(gòu)。

（a）Ni₃X和（b）NiX晶粒結(jié)構(gòu)的BF-TEM圖像和SAED圖譜，其中插圖為統(tǒng)計的片層厚度或晶粒尺寸分布；（c）A1-A3納米耦合晶粒和A2納米沉淀的HRTEM圖像；右側(cè)：標記的方框區(qū)域所對應(yīng)的IFFT和FFT圖像；（d）組成相的HAADF-STEM圖像和對應(yīng)的相圖

圖2  Ni₃X和NiX中各相的化學(xué)成分。

（a）Ni₃X和（b）NiX的BF-TEM圖像及對應(yīng)的EDS相圖；（c，d）通過EDS線掃獲得的圖412a和c中標記區(qū)域中沿異質(zhì)相的成分波動

圖3  當(dāng)前合金與其它報道的塊體合金和復(fù)合材料在寬溫域內(nèi)的耐磨性對比

圖4  Ni₃X和NiX在室溫磨損后的亞表面微觀結(jié)構(gòu)。

（a，b）Ni₃X的磨損誘導(dǎo)的亞表面結(jié)構(gòu)的BF-TEM圖像；（c）NiX的磨損誘導(dǎo)的亞表面結(jié)構(gòu)的BF-TEM圖像；插圖：平均晶粒尺寸沿深度的變化；（d）從NiX的磨損表面沿深度方向的施加應(yīng)力和屈服強度的變化示意圖；分別沿NiX表面深度方向擴展（e）200 nm、（f）700 nm和（g）1.6 μm處的BF-TEM圖像；（e₁）HRTEM圖像及其相應(yīng)的FFT/IFFT顯示了納米耦合晶粒內(nèi)的納米級變形孿晶；（f₁-f₃）HRTEM圖像及其相應(yīng)的FFT/IFFT顯示了由不同滑移系的兩個不全位錯反應(yīng)形成的LC鎖；（g₁-g₃）HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的FFT和IFFT顯示了A2相周圍的高密度納米變形孿晶

圖5  Ni₃X和NiX在800 ºC磨損后的亞表層結(jié)構(gòu)。

（a）Ni₃X氧化層的BF-TEM圖像；（b）Ni₃X的亞表面層的HAADF-STEM圖像及對應(yīng)的EDS圖；（c）NiX磨損亞表面層的BF-TEM圖像；（d）NiX亞表面層的HAADF-STEM圖像及對應(yīng)的EDS圖