宽温域耐磨损性能金属类材料获进展

宽温度范围（室温至800℃）内具有低摩擦磨损特性的金属材料在航空航天、核能等先进装备运动、传动系统具有重要应用前景和价值。近年来发展的新型高熵合金材料具有诸多新奇特性，为设计制备高性能金属基润滑耐磨损材料提供了新的空间，是目前材料学和摩擦学研究的热点和前沿。

近日，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高温摩擦学课题组在新型润滑耐磨损高熵/中熵合金设计制备和性能调控等方面进行了系统研究，取得了系列进展。相关成果发表于《研究》。

“金属材料的摩擦磨损性能与温度密切相关，温度会影响材料的强度、塑性、硬度等力学性能和表界面的摩擦化学反应，这些因素导致金属材料在比较宽的温度范围内难以具备低的摩擦系数和磨损率。”兰州化物所研究员程军告诉《中国科学报》。

研究团队针对宽温域和高温下的润滑与耐磨损问题，通过组分/结构精细化调控设计制备了钴铬镍、钴铬铁镍铝、钴铬镍铝钛硼等几类高熵、中熵合金润滑耐磨损材料，针对海洋腐蚀环境设计制备了铝钴铬铁镍铜强化高熵合金。同时，揭示了材料成分和结构对高熵/中熵合金润滑耐磨损性能的作用机制，相关材料获得示范应用，解决了核心运动系统高温润滑耐磨的关键技术问题。最近，研究团队设计制备了一种具有多级纳米异质结构和成分波动特征的新型镍铝铌钛钒中熵合金，该材料是目前已报道的宽温域耐磨损性能最好的金属类材料，作为高温抗磨材料具有重要的应用价值；揭示了该合金在摩擦过程中表面形成抗磨损摩擦层的作用规律及机制。

新型高熵合金材料独特的异质相结构、成分波动、多级纳米析出相等微观组织结构和多组元特征，展现出了卓越的强度-塑性组合、高温结构稳定性、摩擦界面自保护、高温抗氧化等新奇特性。

“与传统合金相比，其具有非常广阔的成分调控空间，通过对高熵合金体系中的元素进行替换或增减能够获得一些具有特殊性能的微观组织结构和异质相，因此为设计制备高性能金属基润滑耐磨损材料提供了新的空间。”程军说。

在润滑耐磨损领域，高端装备运动与传动部件的服役工况复杂苛刻，往往涉及宽温度范围、高载/交变载荷、辐照、微动、腐蚀介质等多种极端耦合工况，对跨环境、跨温度等变工况条件的先进润滑耐磨损材料具有迫切需求。

以上进展也为科研人员设计新型高性能金属润滑耐磨损材料提供了新启发和新方向。

“未来希望通过机器学习、材料基因工程等新方法来革新高熵合金润滑耐磨损材料的设计制备和应用研究模式，探明高熵合金成分-结构-性能之间的构效关系。”

程军表示，在磨损模型和寿命预测上发展相关业务，将进一步推进先进高熵合金润滑耐磨损材料在高端装备领域的台架考核和产业化应用研究，促进科技成果转移转化。

相关论文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0160

纳米分级异质晶粒结构50合金及其宽温域耐磨损性能。兰州化物所供图。