西北工业大学王海丰教授团队：NbMoWTa-Al₂O₃固体润滑复合材料的宽温域摩擦磨损性能 |《中国有色金属学报》重点推荐文章

     2024年04月08日

研究背景

高温固体润滑复合材料能够在高温环境为摩擦副界面提供高性能的固体润滑膜，解决了高温环境下传统润滑油脂失效的问题。由于传统高温合金的性能在800 ℃ 以上严重恶化，当前服役温度在800 ℃以上的固体润滑材料主要以陶瓷作为基体材料，主要是通过复配适用于不同温度区间的润滑剂来实现从室温到高温的连续润滑。然而，由于该类材料中含有大量的硬质陶瓷相和无机润滑相，因此其塑韧性较差，在高温和外载冲击下极易发生断裂和破碎等灾难性失效。研发集高强韧、抗磨损、耐氧化性能于一体的超高温环境用固体自润滑复合材料与技术成为了该领域的关键科学难题和技术挑战。

难熔高熵合金的出现提出了一种具有超越高温合金的温度能力的潜在解决方案。具有完全无序的体心立方固溶体结构NbMoWTa 难熔高熵合金因超高熔点和热稳定性而备受关注。在高温下，NbMoWTa 难熔高熵合金的屈服强度随温度的变化要慢得多，有望取代Ni 基高温合金。此外，NbMoWTa 难熔高熵合金具有优异的力学性能和可加工性能，可解决当前陶瓷基固体润滑材料延展性差、加工难这一实际工程应用难题。因此，NbMoWTa 难熔高熵合金具有高温固体自润滑复合材料用基体材料的广泛应用前景。

 

文章亮点

采用高能球磨和放电等离子烧结工艺制备了高致密度的NbMoWTa−纳米Al₂O₃固体润滑复合材料，在室温~800 ℃滑动磨损温度范围内始终表现出较低的摩擦因数和磨损率。揭示了NbMoWTa-纳米Al₂O₃固体润滑复合材料的磨损/润滑机理，即纳米Al₂O₃固体润滑剂可以通过影响复合材料摩擦层的行为来实现摩擦因数和磨损率的降低。富含纳米Al₂O₃的氧化摩擦层具备更大的承载能力以及更高的致密性和稳定性，在摩擦过程中不易破坏，能够有效隔离磨球与材料基体之间的直接接触，从而实现摩擦因数和磨损的同步降低。

 

图文解析

烧结得到的块状难熔高熵合金（Base）和复合材料（A25、A50）的BSE图像和相应的EDS结果如图1所示。Base合金的晶界处存在少量孔隙，随着纳米Al₂O₃的添加，这种现象在A25和A50复合材料中显著减少。三种材料相对应的孔隙率分别约为9.02%、4.90%和1.15%，表明纳米Al₂O₃的加入提升了材料的致密化程度。NbMoWTa−纳米Al₂O₃复合材料经高能球磨及2000 ℃高温烧结后，仍然保持NbMoWTa和Al₂O₃两相状态，体现出两相之间高度的化学稳定性。

图1 Base合金、A25 和A50复合材料的BSE像及对应的EDS结果

Base 合金、A25 和A50 复合材料的平均维氏硬度如图2所示。与Base合金相比，A25 和A50 复合材料的显微硬度显著提高，这一方面归因于添加纳米Al₂O₃引起材料的致密化程度增加，另一方面源于均匀分布的纳米Al₂O₃产生弥散强化作用。

图2 Base合金、A25 和A50复合材料的显微硬度以及三种被测材料在室温下实验区域的维氏压痕图像

Base合金、A25 和A50复合材料在RT、500 ℃和800 ℃的摩擦实验结果如图3所示。对比发现，复合材料具有比合金更好的润滑性和耐磨性。因此，在NbMoWTa 难熔高熵合金基体中引入纳米Al₂O₃固体润滑剂对降低宽温域摩擦因数和磨损率是非常有效的。润滑性和耐磨性的提升可能源于两方面：首先，纳米Al₂O₃的添加显著改善了NbMoWTa 难熔高熵合金较差的抗氧化性，进而影响其高温摩擦性能；其次，复合材料中的Al₂O₃润滑相非常稳定，可以为复合材料提供良好的抗软化能力和承载能力。

图3 Base合金、A25 和A50复合材料的摩擦实验结果：(a) Base合金、A25和A50复合材料在室温下的摩擦因数随时间变化曲线；(b) 500℃时Base合金、A25和A50复合材料的摩擦因数随时间变化曲线；(c) 800℃时Base合金、A25和A50复合材料的摩擦因数随时间变化曲线；(d ) Base合金、A25和A50复合材料在不同温度下的稳态平均摩擦因数；(e) Base合金、A25和A50复合材料在不同温度下的磨损率

Base合金、A25 和A50复合材料在不同实验温度下磨损表面形貌如图4所示。Base合金和A25复合材料的室温磨损机制主要是典型的磨粒磨损和疲劳磨损。由于大体积分数的纳米米Al₂O₃均匀分布在材料表面，材料整体具有更大的承载能力和抗疲劳磨损能力，A50复合材料的磨损机制为单一的轻微磨粒磨损。

当试验温度大于500 ℃时，摩擦层及其碎片是磨损表面的主要特征。摩擦过程中，在法向载荷和摩擦力的共同作用下磨屑压实形成摩擦层。Base合金磨损表面摩擦层以不连续斑块的形式呈现。相反，A25和A50复合材料磨损表面的摩擦层逐渐趋于连续。除此之外，并没有在摩擦层表面观察到明显的犁沟、磨屑、孔洞等，表明该摩擦层具有强承载作用。由于直接与对磨副接触的摩擦层表面光滑致密，有助于降低表面粗糙度从而降低剪切强度，使复合材料具有优于Base合金的摩擦学性能。

图4 Base合金、A25 和A50复合材料在不同实验温度下磨损表面的SEM像：(a) Base, RT；(b) A25, RT；(c) A50, RT；(d) Base, 500℃；(e) A25, 500℃；(f) A50, 500℃；(g) Base，800℃；(h) A25, 800℃；(i) A50, 800℃

中高温下三种材料磨损表面化学组成结果如图5所示。高分辨率XPS谱图显示，三种材料磨损表面的氧化物形式没有差别。仅通过峰面积的比值观察到随着纳米Al₂O₃固体润滑剂的添加和含量增加，MoO₃和氧化钨的比例在减少，这与Al2O3的添加抑制Mo元素的过度氧化有关。与500 ℃相比，800 ℃下磨损表面MoO₂和WO₂的比例显著上升，这种现象随着Al₂O₃固体润滑剂含量的增加进一步加剧。

图5 在500 ℃和800 ℃干滑动后Base 合金、A25 和A50 复合材料的磨损表面的Nb 3d、Mo 3d、W4f 和Ta 4f 高分辨率XPS谱

磨损试样亚表面表征结果如图6所示。500 ℃下摩擦后，磨痕中产生厚度为1.0~5.4 μm的氧化釉层。截面EDS结果表明，O元素只在摩擦层富集，这意味着氧化仅发生在金属磨屑上。Base合金与A25和A50复合材料的摩擦层结构存在显著差异，大量的裂纹与孔洞表明该摩擦层较为疏松，其保护作用较差。相反，A25和A50复合材料磨损表面的摩擦层没有发生分层或断裂，表明掺杂了纳米Al₂O₃的氧化磨屑被压实后形成的摩擦层具有更强的致密性和稳定性。800 ℃下摩擦后，由于氧化速率的显著提升，三种材料的摩擦层厚度显著增加(＞10 μm)。Base合金摩擦层内存在更多裂纹与孔洞。除摩擦层本身致密性较差的原因外，一个不可忽略的因素是MoO₃的挥发。然而，A25和A50复合材料摩擦层截面Al₂O₃的加入起到了抑制Mo元素挥发的作用，进而确保了摩擦层的致密性。

图6 500℃和800℃下Base合金、A25和A50复合材料磨损轨迹的截面BSE（插图为磨损区域和非磨损区域截面中氧元素的分布）：(a) Base，500℃；(b) A25, 500℃；(c) A50、500℃；(d) Base，800℃；(e) A25, 800℃；(f) A50, 800℃。

 

研究结论

（1）高能球磨和放电等离子烧结方法制备的块体NbMoWTa−纳米Al₂O₃复合材料致密性良好，无相变产生，纳米Al₂O₃颗粒在BCC基体相晶界和晶内均匀分散。在NbMoWTa 基体中引入纳米Al₂O₃固体润滑剂后，其显微硬度显著增加，这归因于材料的致密化程度增加和均匀分布的纳米Al₂O₃的弥散强化。

（2）与NbMoWTa 难熔高熵合金相比，添加5%纳米Al₂O₃固体润滑剂的复合材料在室温~800 ℃滑动磨损温度范围内始终表现出较低的摩擦因数和磨损率。500 ℃下，摩擦因数从Base 合金的0.50 降低到A50 复合材料的0.42；800 ℃下，摩擦因数从Base 合金的0.55 降低到A50 复合材料的0.40。此外，500 ℃下，NbMoWTa−5%纳米Al2O3复合材料的磨损率比NbMoWTa 难熔高熵合金小一个数量级。

（3）在中高温滑动磨损温度下，添加纳米Al₂O₃固体润滑剂可以通过影响复合材料摩擦层的行为来实现摩擦因数和磨损率的降低。通过承载强化和抑制MoO₃过度挥发导致的开裂行为，富含纳米Al₂O₃的氧化摩擦层具备更大的承载能力以及更高的致密性和稳定性，在摩擦过程中不易破坏，能够有效隔离磨球与材料基体之间的直接接触，从而实现摩擦因数和磨损的同步降低。

 

团队介绍

王海丰，西北工业大学材料学院教授、博导。入选国家级青年人才，德国洪堡学者、首届陕西省杰青、陕西省青年科技新星。主要研究方向为金属基和陶瓷基耐磨润滑材料、非平衡相变理论与组织控制。先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、JKW创新特区项目、霍英东青年教师基金、首届陕西省杰出青年基金等项目。以第一或通讯作者在Acta Mater.，Int. J. Plast.等国际顶级期刊上发表论文140余篇，获国家授权发明专利21项。获陕西省科学技术奖一等奖（第3）和山西省科学技术奖一等奖（第5）。担任《金属学报》青年编委、《摩擦学学报》编委、《铸造技术》第一届青年编委会副主任。是中国材料学会凝固科学与技术分会理事，中国机械工程学会摩擦分会委员、陕西省机械工程学会摩擦分会理事。

杜银，博士，新加坡南洋理工大学博士后。主要研究方向为非晶材料、陶瓷/金属合金及其复合材料的力学和摩擦学性能。以第一或通讯作者在Compos Part B，Corros Sci等期刊发表论文20篇，获国家授权发明专利4项。主持/参与国家重点研发计划、自然基金重点项目、博士后面上等项目6项。

裴旭辉，西北工业大学在读博士研究生。主要研究方向为耐磨抗氧化难熔合金设计、高温固体润滑复合材料开发。以第一作者在Corros Sci等期刊发表论文5篇。

 

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