科研進(jìn)展
蘭州化物所聯(lián)合香港城市大學(xué)在超耐磨高熵納米復合材料方面獲新進(jìn)展
在高溫極端服役條件下同時(shí)實(shí)現低摩擦與超高耐磨性，一直是材料學(xué)與摩擦學(xué)領(lǐng)域面臨的核心挑戰。傳統金屬材料在800 °C以上的高溫滑動(dòng)過(guò)程中易因熱軟化與氧化生成脆性碎屑，導致表面開(kāi)裂、剝落而快速失效。雖然表面氧化物層在一定條件下能提供部分保護，但其脆性和附著(zhù)力不足，致使在高載荷和長(cháng)期運行中難以保持穩定。因此，如何構建一種能夠在摩擦應力演化過(guò)程中動(dòng)態(tài)適應并實(shí)現自修復的高溫抗磨表層，成為該領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗室高溫摩擦學(xué)課題組與香港城市大學(xué)機械工程系先進(jìn)結構材料課題組，在長(cháng)期合作基礎上提出了一種基于晶體-非晶異質(zhì)結構與梯度納米氧化層協(xié)同調控的高熵納米復合材料設計策略。團隊設計制備了一種Co25Ni23Cr20Fe20Ti6Al4B2高熵納米復合材料，包含高密度Ti–O富集非晶納米析出相的多級異質(zhì)結構。在1000 ℃和較高接觸應力條件下，該材料表面原位生成微米級厚度的梯度納米釉質(zhì)層，其晶粒尺寸沿深度方向從表面25nm漸增至基體112nm，實(shí)現了應變逐層協(xié)調與應力有效緩解。得益于這一結構演化，該材料在1000 °C實(shí)驗中獲得了-2.3×10-6mm3/Nm的穩定負磨損率與0.26的低摩擦系數，刷新了金屬基抗磨材料的高溫性能紀錄。
圖1. Co25Ni23Cr20Fe20Ti6Al4B2高熵納米復合材料的高密度分級異質(zhì)性結構
圖2. 各類(lèi)已報道高性能抗磨材料在1000 ℃的摩擦學(xué)性能對比
微結構表征與力學(xué)測試表明，該材料在1000 °C高溫下形成的梯度氧化層展現出顯著(zhù)的深度依賴(lài)性彈塑性能。納米壓痕與微柱壓縮實(shí)驗發(fā)現，隨著(zhù)測試深度增加，該氧化層硬度逐漸下降而彈性模量上升，實(shí)現了異質(zhì)性載荷傳導路徑優(yōu)化。晶體-玻璃異質(zhì)基體中的非晶納米析出相在滑動(dòng)過(guò)程中有效抑制了位錯遷移與晶粒粗化，提升了基體的高溫形變穩定性。同時(shí)，這些納米析出相作為強化點(diǎn)位，激活了滑動(dòng)面下的微帶與堆垛層錯網(wǎng)絡(luò )，從而促進(jìn)了表面層的動(dòng)態(tài)再結晶。這一從微觀(guān)結構到摩擦性能的協(xié)同調控，突破了傳統金屬在高溫極限下無(wú)法維持潤滑性能與結構穩定性的瓶頸。
圖3.在1000 ℃摩擦過(guò)程中原位形成的梯度納米釉結構
圖4.在800 ℃和1000 ℃下形成的釉質(zhì)層的力學(xué)性能
該成果為極端環(huán)境下摩擦學(xué)材料的設計提供了新的思路和方法，具有廣闊的工程應用前景。提出的“基于多組分成分波動(dòng)和結構梯度觸發(fā)磨損自適應修復行為”的協(xié)同機制，不僅可用于燃氣輪機、高速軸承、航空熱端部件等高溫機械系統，還可拓展至核能裝備、空間探測器及高溫模具等需要長(cháng)壽命服役的關(guān)鍵部件制造中，對提升我國高端裝備在極端條件下的可靠性具有重要意義。
相關(guān)研究成果以“Ultra-wear-resistant high-entropy nanocomposite through gradient nanograined glaze-layer at 1000 °C”為題，發(fā)表在國際復合材料領(lǐng)域Composites Part B: Engineering期刊上。論文第一作者為耿鈺山博士（現香港城市大學(xué)博士后），蘭州化物所楊軍研究員和香港城市大學(xué)楊勇教授為共同通訊作者。
該工作得到國家自然科學(xué)基金、香港研究資助局普通項目和中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )等項目的資助。
