多伦多大学邹宇课题组《JMST》：中熵合金在室温~1000°C磨损机制转变

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.01.015

研究亮点

• 在 1000°C 下测得的硬度、磨损速率及表征数据为中熵合金（MEAs）领域的新记录。
• 讨论了 Fe 和 Cr 及其氧化物在磨损过程中的作用。
• 揭示了一种新的磨损转变机制，即可变形釉层的形成。

许多机械部件在干滑动、高温和氧化环境下运行，容易导致材料失效或功能损失。尽管传统合金的磨损行为已有较多研究，但高熵合金（HEAs）和中熵合金（MEAs）在高达 1000°C 的磨损特性鲜有报道。本研究系统地研究了两种常见 MEAs——FeCoNi 和 CrCoNi——在室温至 1000°C 之间的高温硬度、磨损行为及其机制。研究发现，在室温、600°C 和 800°C 时，FeCoNi 的耐磨性优于 CrCoNi，而在 400°C 和 1000°C 时，CrCoNi 的耐磨性优于 FeCoNi。

通过对磨痕的表征分析，我们发现这些磨损机制的转变与合金元素、氧化速率及氧化物类型密切相关。在室温下，FeCoNi 形成具有较低磨损速率的尖晶石氧化层，而 CrCoNi 磨损更严重。在 400°C 时，由于温度软化作用，FeCoNi 和 CrCoNi 的磨损速率相近。在 600°C 和 800°C 时，FeCoNi 的釉层主要由 Co₃O₄ 组成，相比 CrCoNi，能有效提高耐磨性。然而，在 1000°C 时，FeCoNi 釉层发生严重塑性变形，降低了其耐磨性；而 CrCoNi 形成的 Cr₂O₃ 氧化层仍然坚硬且不易变形，从而提供更高的耐磨性。

图 1. (a) 配备加热室的销盘式摩擦磨损试验机示意图，加热室最高可达 1,000°C。(b) 质子交换膜电极组件 (MEAs) 上的滑动磨损损伤，显示接触表面的磨损轨迹及其下方形成的摩擦氧化层。

图 3. (a) FeCoNi 和 (b) CrCoNi 的代表性摩擦系数（µ）随时间变化的曲线。(c) FeCoNi 和 CrCoNi 在不同测试温度下的平均稳态摩擦系数（µS）。散点符号表示三次独立测试的平均值。(d) FeCoNi 和 CrCoNi 在不同温度下的平均磨损率。

本研究系统地研究了两种金属合金（FeCoNi和CrCoNi）在从室温到1000°C（这是两种合金在硬度和磨损测试中的新温度记录）范围内的高温硬度、磨损行为及其机制。结果表明，在所有测试温度下，CrCoNi的硬度均高于FeCoNi，但两种合金的磨损抗力与硬度的变化趋势并不相同。在室温、600°C和800°C下，FeCoNi的磨损抗力高于CrCoNi，特别是在室温下，FeCoNi的磨损率比CrCoNi低一个数量级。相反，在1000°C时，CrCoNi的磨损率比FeCoNi低一个数量级。本研究从基础层面揭示了主元素对 FeCoNi 和 CrCoNi 相关 MEAs 及 HEAs 耐磨性能的影响，为高温磨损研究提供了新的见解。

本文来自微信公众号：材料科学与工程。感谢论文作者团队大力支持。