共晶高熵合金的高温摩擦行为及磨损机制

2004年以来，高熵合金（HEAs）的出现拓宽了材料设计的视野。越来越多的研究探索了高熵合金的优异性能，尤其是在强度-延展性方面的出色协同效应、杰出的断裂韧性、优异的抗蠕变性能以及显著的加工硬化能力，甚至在宽温度范围内亦是如此。

近年来，高熵合金的摩擦学行为和磨损机制吸引了广泛关注，旨在为工程应用寻找新型耐磨材料。CoCrFeMnNi高熵合金及其变体（如CoCrFeNi高熵合金和CrCoNi中熵合金）是具有单相面心立方结构的典型多主元合金（MPEA），这些均匀粗晶态的多主元合金表现出优异的延展性，但强度低且耐磨性差。单纯将晶粒细化至超细晶和纳米晶状态可显著提高FCC基多主元合金的强度，但其耐磨性几乎未得到改善，这是因为在剪切变形引起的滑动摩擦下，均匀的纳米晶结构会发生脆性断裂、应变局部化、表面粗糙化和裂纹。事实证明，构建梯度纳米结构是提高耐磨性的成功策略；因为梯度纳米结构可以抑制不均匀塑性变形，从而抑制滑动诱导的裂纹和局部脆性断裂。

向多主元合金中添加Mo、W、Al和Nb等元素以增强固溶或析出强化效应，是另一种提高耐磨性的策略。例如，在原始单相CoCrNi中熵合金中添加Nb，可形成由FCC相和Laves相组成的层状共晶结构，能有效阻止裂纹萌生和扩展，从而降低摩擦系数（COF）和磨损率。类似地，在体心立方结构的TiZrNbHf难熔高熵合金中添加Al会导致严重的晶格畸变，进而提高强度和耐磨性。

南京理工大学赵永好教授团队研究了AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金在25–800°C宽温域范围内的摩擦行为和磨损机制，其在25°C时表现出极低的磨损率，这是因为形成了由嵌入非晶基体中的纳米晶组成的复合类型氧化层。

随着温度升高，该合金的COF呈下降趋势，磨损率保持稳定。在400°C时，氧化与塑性变形的协同作用导致氧化层的形成和增厚，这有利于耐磨性。在800°C时，高温增强了原子扩散，因此非晶氧化物层发生部分结晶，形成纳米晶和超细晶。新形成的纳米晶和超细晶均具有热稳定性，并具有高硬度，可改善合金的抗磨损性能。

这项研究通过揭示摩擦诱导的表面变形机制，为开发适用于宽温域范围的新型耐磨合金提供了见解。

图1. 铸态AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金的显微组织与成分分布：(a) 取向成像显微镜（OIM）图像及插图中的反极图颜色编码；(b) 相分布图；(c) X射线衍射（XRD）图；(d) 扫描电镜-能谱（SEM-EDS）图。

图2. (a) 磨损率随温度的变化关系。(b) AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金与其他参考文献中高熵合金在25°C下磨损率与硬度的关系。(c) 本文AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金与其他参考文献中高熵合金在600°C和800°C下的磨损率。

图3. AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金在不同温度下的磨损表面：(a1-a2) 25°C，(b1-b2) 200°C，(c1-c2) 400°C，(d1-d2) 600°C，(e1-e2) 800°C。

图4. AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金在25°C干滑动磨损后的聚焦离子束（FIB）截面透射电镜（TEM）表征：（a, b）亚表面显微组织的明场TEM图像及对应的高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像；（c-1）最顶层氧化层的STEM图像；（c-2）c-1中方框区域的高分辨透射电镜（HRTEM）图像；（d）纳米层状结构层的STEM图像；（e）图（a）中蓝色方框区域的STEM图像，显示层状结构；（f-1）显示纳米层状结构层中典型亮对比度区域的STEM图像；（f-2）f-1中黄色方框区域的HRTEM图像；（g）图（a）中绿色方框区域的能谱（EDS）面扫图。

图5. AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金在400°C测试后的FIB截面TEM表征：（a, b）亚表面显微组织的明场TEM图像及对应的HAADF-STEM图像；（c）图（a）中红色方框区域的HRTEM图像，显示最顶层氧化层中的纳米晶-非晶复合结构；（d）图（a）中红色方框区域的高倍TEM图像；（d-1）和（d-3）为图（d）中选定区域的HRTEM图像，显示纳米晶-非晶复合结构；（d-2）为图（d）中选定区域的放大TEM图像，显示纳米晶结构；（e）图（a）中红色方框区域的HRTEM图像，显示底部氧化层中的纳米晶-非晶复合结构；（f）图（a）中选定区域的HRTEM图像，显示裂纹尖端前沿的非晶结构。

图6. AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金在800°C干滑动磨损后的FIB截面TEM表征：（a, b）亚表面显微组织的明场TEM图像及对应的HAADF-STEM图像；（c-1）图（a）中红色方框区域的STEM图像；（c-2）HRTEM图像及对应的快速傅里叶变换（FFT）图谱，显示最顶层为非晶结构；（d-1）图（a）中红色方框区域的STEM图像；（d-2）HRTEM图像及对应的选区电子衍射（SAED）图谱，显示纳米晶结构；（e）图（a）中红色方框区域的STEM图像及对应的SAED图谱，显示超细晶结构；（f）图（a）中红色方框区域的STEM图像，显示纳米晶结构。

综上所述，本研究聚焦于AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金在25-800°C宽温域内的高温摩擦学行为及磨损机制。摩擦诱导氧化作用促使亚表面形成纳米晶-非晶复合层，该复合层具有高强度，能够分散应变局部化并延缓微裂纹的汇聚。因此，在25°C下，该复合层被认为是AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金的抗磨损保护层。随着温度升高，合金的摩擦系数呈下降趋势，磨损率保持稳定。摩擦与氧化的协同作用导致氧化层厚度增加，为下方合金提供有效保护。在800°C时，高温增强原子扩散，使非晶氧化物层发生部分结晶形成纳米晶。AlCoCrFeNi₂.₁共晶高熵合金中的纳米结构具有热稳定性，仅发生局部未长大的再结晶，其高硬度有利于抗磨损性能。

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