高熵合金基高温固体润滑复合材料的设计、制备及摩擦学行为研究

High entropy alloys (HEAs) are designed based on multi-component elements which breaks the traditional alloy design theory. Due to their specific structure，HEAs could exhibit many attractive properties, such as high ductility, outstanding strength, and good resistance to wear, softening and oxidation. This indicates that HEAs can be a promising candidate for the excellent matrix material of the high-temperature solid-lubricating composites. This proposal is to design and fabricate AlCoCrFeNi HEA matrix high-temperature solid-lubricating composites over a wide temperature range. In more detail, we will systematically study: (1) the effects of additives and processing conditions on the structure and mechanical properties of the composites, and the sintering compatibility between reinforcing phases, lubricating phases and HEA; (2) the frictional phenomena and surface effects in the composites, to reveal the effects of oxidation products, synergistic action of the solid lubricants and structure on the tribological properties; (3) the high-temperature lubrication and wear mechanisms of the composites; (4)the design principles and processing control methods of high-temperature solid-lubricating composites with favorable properties. It is expected that this project could be valuable for the development of HEA matrix composites with excellent tribological properties over a wide temperature range, and provide a new idea for solving practical application problems on lubrication and wear resistance at high temperature.

独特的合金设计理念和特殊的合金结构赋予高熵合金高强韧、耐磨损、抗高温软化和抗氧化等优异性能，这使高熵合金有望成为一种优良的高温固体润滑复合材料基体材料。本项目选择AlCoCrFeNi高熵合金为基体，采用粉末冶金方法，设计和制备宽温域高熵合金基固体润滑复合材料。本项目拟研究添加相复配和制备工艺对复合材料的组织结构和力学性能的影响规律，探明增强相、润滑相和高熵合金之间的匹配性；分析高温摩擦磨损行为以及摩擦表面效应，揭示氧化产物、润滑相的协同作用和组成结构对复合材料抗磨润滑性能的影响机制，阐明宽温域润滑机理和相应的磨损失效机制，获得高性能高熵合金基高温固体润滑复合材料的设计制备和工艺调控方法。本项目的顺利实施将有助于发展新型的高熵合金基宽温域润滑抗磨损复合材料，为解决高温下的润滑和耐磨问题提供新思路。

为解决现有金属和陶瓷基固体润滑复合材料在力学性能上的不足，本项目开展AlCoCrFeNi高熵合金基固体润滑复合材料的研究。按照预期计划，本项目系统开展了复合材料的组分设计与制备工艺研究，发现金属添加相的形貌和分布受元素的反应焓、化学亲和性、固溶度、熔点的影响，陶瓷添加相在选用高熵合金粉末时实现弥散分布；化学惰性金属元素与陶瓷相复配时，能够同时呈现弥散分布，没有明显反应；烧结过程中，高熵合金相形成机制依次为元素间焓变、元素间固溶、相间固溶。开展了复合材料的高温结构演变及其对力学性能的影响，发现高熵合金室温下为B2、BCC相耦合结构，随温度提高发生了FCC相和σ相的转变，优异的高温软化性能归因于两相耦合结构、σ相析出、晶格畸变；高化学活性添加金属能加剧相晶格畸变、促进σ相形成、抑制FCC相，低化学活性添加金属能形成亚稳FCC相、抑制σ相；相晶格畸变、σ相析出能提高硬度，FCC相形成和形貌粗化能降低硬度。开展了复合材料的高温摩擦学行为规律和润滑机理研究，发现高载荷能够加重犁沟、增大磨损，高滑动速率能加剧粘着层脱落、增大摩擦；高熵合金在高温下发生软化、加剧真空磨损，大气下能够形成抗磨氧化层、改善高温抗磨性；润滑相的良好复配能够协同改善宽温域摩擦学性能，但能影响氧化层结构；致密难熔金属基无机酸盐氧化层具有优异的高温抗磨性。上述成果表明，多主元合金在解决力学性能和耐磨性能上具有突出的优势；基于组分设计准则、性能调控工艺、润滑相和氧化产物的影响，研发出22%韧性、1.8GPa屈服强度、高温几乎无磨损的高熵合金，具有NiAl合金3倍强度、160%韧性、10倍耐磨性的原位蜂窝仿生NiAl-Cr3C2材料，核环境下低活化-强抗磨的原位氧化钛增强多主元合金。迄今为止，本项目发表SCI论文10篇，申请中国发明专利4件，其中2件专利已经授权，参加两次国内学术会议，其中分会场邀请报告1次。