高熵合金离子渗硫原位合成多元微纳米复合固体润滑膜层研究

Sulfide possesses good anti-friction and lubricating property for its unique hexagonal layered structure, however, with the friction condition becoming harsher, simplified sulfide solid lubricating film could hardly meet lubricating requirements that include high temperature and high loads environment. In this project, ion sulphurizing technology is used to produce the multi-micro-nano-compound sulfide solid lubricating film on the surface of the high entropy alloy laser cladding coating by taking advantages of multiple elements character of high entropy alloys. Status equation of different types of sulfide and thermodynamic status function are determined by the first-principle theory. The dynamic processes of nucleation, adsorption, deposition, diffusion and morphological transformation of sulfide on high entropy alloy surface are explored through the experiments and the theoretical analysis to illustrate the mechanism of ion sulphurizing of multi-principal elements high entropy alloy. The factors including high entropy alloy composition and phase structure, surface nano-crystallization, ion sulphurizing process are researched for its influence on the formation of composite solid lubricating film. The cooperation mechanism under various sulfides is discussed and the anti-friction mechanism of compound sulfide solid lubricating film is illuminated by exploring the anti-friction, wear resistance and tribological behavior of compound sulfide solid lubricating film under dry friction conditions. This study provides a new idea for the production of high entropy alloy with solid lubricating properties which could be a breakthrough for the theory of ion lubricating and anti-friction.

硫系化合物因其特有的层状六方结构而具有良好的减摩润滑性能，然而随着摩擦环境的日渐苛刻，单一硫化物相的固体润滑膜已很难满足高温、高载荷等环境下的润滑要求。本项目利用高熵合金多主元成分的特点，采用离子渗硫技术在激光熔覆高熵合金涂层表面原位合成多元微纳米复合硫化物固体润滑膜层。由第一性原理方法确定不同类型硫化物的状态方程和热力学状态函数，通过实验研究和理论分析探讨高熵合金表面硫化物的形核、吸附、沉积、扩散和形态转变的动力学过程，阐明高熵合金多主元成分的离子渗硫机理；研究高熵合金成分、相结构，表面纳米化处理，离子渗硫工艺条件等因素对复合固体润滑膜层形成的影响；研究高熵合金复合硫化物固体润滑膜在干摩擦条件下的减摩耐磨性能及摩擦学行为，探讨多种硫化物的协同作用机理，阐明高熵合金复合固体润滑膜层的减摩润滑机理。该研究为具有固体润滑性能的高熵合金的制备提供新思路，并带来离子渗硫及减摩润滑理论的突破。

硫系化合物因其层状六方结构具有良好的减摩润滑性能，是优异的固体润滑材料，然而单一硫化物相的固体润滑膜很难满足日渐苛刻的摩擦环境及润滑要求。. 本项目采用离子渗硫技术在激光熔覆多主元高熵合金表面制备了硫化物固体润滑膜层，研究了其成膜机理及影响因素、组织结构及减摩耐磨性能。结果表明：（1）在高熵合金表面原位合成了多元复合硫化物固体润滑膜，离子渗硫层的制备过程主要是气体离解、金属原子溅射、硫化物形成和硫化物的生长成膜；CoCrFeNiMoxWy高熵合金离子渗硫制备的固体润滑膜以Mo、Fe、W的硫化物为主，硫化物先在晶界处沉积，并以层状方式进行生长。（2）高熵合金成分影响渗硫结果，CoCrFeNi表面硫化物膜主要是FeS和FeS2，厚度2.8-3.0μm；CoCrFeNiMo主要是FeS和MoS2，厚度3.2-3.4μm；CoCrFeNiW0.8主要是FeS和WS2，厚度3.4-3.6μm；CoCrFeNiMoW0.8主要是FeS、MoS2和WS2，厚度4.0-4.3μm；渗硫层与高熵合金结合良好，结合力分别为37.4N、40.06N、43.9N和48.84N。另外，高熵合金表面纳米化处理能够有效提高离子渗硫速度，且渗硫层更加致密均匀、厚度更大。（3）在3N、0.21m/s的干摩擦条件下，CoCrFeNi、CoCrFeNiMo、CoCrFeNiW0.8和CoCrFeNiMoW0.8合金离子渗硫处理能够使得稳定摩擦系数由0.47、0.33、0.46和0.39分别降至0.13、0.10、0.14和0.11，磨损失重降低24%-72%，磨损机制以轻微的磨粒磨损和粘着磨损为主，复合硫化物固体润滑膜有效作用时间更长，减摩效果更显著。（4）高熵合金离子渗硫层的减摩机理主要为：离子渗硫层的隔离及润滑作用、金属氧化物的辅助润滑作用、摩擦副表面转移膜的形成、边界润滑膜的持久作用以及不同润滑相的叠加效应。多元复合硫化物固体润滑膜减摩性能和承载能力明显优于单硫化物固体润滑膜，在相同条件下，FeS、FeS-MoS2、FeS-WS2、FeS-MoS2-WS2硫化物润滑膜最大承载载荷分别为3N、4.5N、4.5N和8N。. 本项目研究的高熵合金表面离子渗硫制备复合硫化物膜层的理论和方法为固体润滑膜层的制备提供了新思路，并带来离子渗硫及减摩润滑技术的突破，具有重要的学术价值和工程应用前景。