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
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