高浓度过氧化氢介质中高熵合金的摩擦磨损行为研究

High-entropy alloy (HEA) is a new class of metallic materials developed in last decade, exhibiting good microstrcture stability, excellent mechanical properties, corrosion-resistance and wear-resistance. Previous investigations indicated that HEAs are potential tribo-pairs for turbopump bearings and seals in aerospace industry due to its high performance in high concentration H2O2. Based on our previous studies, the present project focus on the corosion behavior and suitability of tribo-pairs and failure mechanism in high concentration H2O2. We try to investigate the relationship between the microstructure of HEA and corrosion, friction and wear properties, and reveal the evolusion law of friction and wear properties with composition,microstructure of HEA. Thus, clarify the coupling failing mechanisms of HEA in strong oxidizing H2O2 under wear and friction condition. This research can be benefit for theoretically understanding the property evolusion and failing mechanism of HEA in strong oxidizing media and promote the selection of tribo-pairs under extreme conditions and the application of HEA in aerospace industry.

高熵合金是近十年发展起来的一种新型金属材料，具有良好的组织稳定性和优异的力学性能和耐腐蚀抗磨损性能，初期研究结果表明其在高浓度过氧化氢中的摩擦磨损性能优异，可望作为航天工业涡轮泵轴承、密封件等构件运动摩擦副材料。本项目基于前期的探索研究工作，系统开展高熵合金在过氧化氢介质中的腐蚀行为、摩擦副适应性、磨损失效规律等方面的研究，探讨高熵合金微观结构与腐蚀和摩擦磨损性能之间的关系，阐明过氧化氢强氧化条件下高熵合金的腐蚀磨损耦合失效机理，不仅对理解高熵合金材料在过氧化氢强氧化条件下的性能演变与失效规律具有重要的理论价值，而且对我国航天工业苛刻环境下摩擦副材料的选择、促进高熵合金这一新型金属材料的应用具有重要的现实意义。

高熵合金具有良好的组织稳定性和优异的力学性能和耐腐蚀抗磨损性能，在高浓度过氧化氢等强氧化性环境中具有优异摩擦磨损性能，可望作为航天工业涡轮泵轴承、密封件等构件运动摩擦副材料。. 本项目以AlCoCrFeNiCu、AlCoCrFeNiTi0.5两种高熵合金为主要研究对象，系统研究了合金的铸态微结构和干摩擦、油润滑条件下的摩擦磨损行为，获得了两种合金在H2O2溶液中的电化学腐蚀行为规律；开展了H2O2溶液的腐蚀磨损行为研究，优选了摩擦配副；获得了高熵合金摩擦表面化学成分、微观结构及摩擦磨损性能的演变规律；改进了三电极测量，阐明两种材料在高浓度H2O2介质中的强氧化腐蚀及磨损耦合失效机理。. 项目取得的主要成果如下：1)高熵合金的结构和亚稳相机制。证实AlCoCrFeNiTix合金由AlNi构成的BCC1相和FeCr构成的BCC2相组成；发现经过中温热处理后，Al0.5CoCrFeNi合金枝晶间析出纳米尺寸B2相，屈服和断裂强度得到极大的提高；实现了大体积CoCrFeNi合金大过冷度凝固，发现晶粒细化和BCC亚稳相的析出导致合金的屈服强度提高了近3倍。2)优选出两种高熵合金在高浓度H2O2中的摩擦配副为Si3N4和SiC，摩擦副表现了类似在润滑油润滑下的摩擦学性能，SiC的硬度和强度高，Si3N4的韧性好，两种摩擦副有希望在高浓度H2O2推动系统中获得工程应用。3）在现有摩擦磨损试验机上针对高浓度H2O2溶液的强氧化环境，搭建了三电极辅助系统，可以在磨损试验过程中同步获得动电位等电化学腐蚀信息。4）揭示了高熵合金在苛刻环境下的腐蚀磨损失效机制。高浓度的H2O2溶液中，高熵合金与SiC对磨时，具有很低的摩擦系数。SiC陶瓷表面的孔洞保持尖锐的边缘，磨合后容易发生摩擦系数的波动；载荷的增大使合金表面的化学吸附膜更致密，从而减小了摩擦系数；滑动速率的增大能够加速SiC陶瓷表面的摩擦化学反应，形成更多的水解层，减少了摩擦系数的波动，但同时加速了H2O2的分解，形成了更多的气泡，增大了摩擦系数。5）获得了成分及微结构对高熵合金苛刻环境下失效过程的影响机理。. 项目的研究成果对高熵合金材料在过氧化氢强氧化条件下的性能演变与失效规律具有重要的理论价值，而且对我国航天工业苛刻环境下摩擦副材料的选择、促进高熵合金这一新型金属材料的应用具有重要的现实意义。