Nb改性CoNiAl共晶多主元合金中自生多级润滑相的高温摩擦学性能突破

高温摩擦合金如何实现自适应润滑与抗氧化协同提升？西北工业大学团队通过设计Nb改性CoNiAl共晶多主元合金(MPEAs)，构建了由Co3O4/NiO/AlNbO4/Al2O3组成的多级氧化物润滑层，在800°C下实现1.01×10?5 mm3/N·m的超低磨损率。第一性原理计算揭示了Al-O键的稳定性与Co/Nb-O键的润滑协同机制，为高温摩擦材料设计提供新范式。

　　

在航空航天和能源装备领域，高温摩擦导致的材料失效一直是制约设备寿命的瓶颈。传统润滑涂层在极端温度下易剥落，而抗氧化合金往往缺乏自润滑能力。如何让材料在高温下"自我进化"出兼具防护与减摩特性的表面层，成为材料科学家孜孜以求的目标。西北工业大学的研究团队在《Scripta Materialia》发表的研究，通过精巧的成分设计给出了创新解决方案。

该研究采用电弧熔炼制备Nb改性CoNiAl共晶多主元合金，通过高温摩擦试验和第一性原理计算相结合的方法，系统分析了氧化物层的形成机制与摩擦学行为。研究团队特别关注了国家自然科学基金支持的样本在800°C下的摩擦响应，并采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对磨损轨迹进行表征。

多级氧化物层的形成与表征
通过微观结构分析发现，合金表面自发形成了由Al₂O₃基底层、AlNbO₄过渡层和Co₃O₄/NiO润滑顶层组成的梯度结构。这种独特的层级分布使材料在800°C下磨损率较传统合金降低两个数量级。

键合特性与润滑机制
第一性原理计算表明：Al₂O₃中强Al-O键（键能>5 eV）提供抗氧化屏障；AlNbO₄中中等强度的Al-O/Nb-O键（3-4 eV）实现应力缓冲；而Co₃O₄和NiO中较弱的Co-O/Ni-O键（<2 eV）则通过晶格滑移产生润滑效应。这种"刚柔并济"的键合特性组合，破解了防护-润滑的性能矛盾。

摩擦学性能验证
在800°C球-盘试验中，多级氧化物层展现出持续的自修复特性。磨损表面形成的致密氧化物膜使摩擦系数稳定在0.3-0.4区间，且无明显的黏着磨损特征。

这项研究的意义在于：首次通过多主元合金的成分设计，实现了氧化物层在高温摩擦过程中的自组织演化。不同于传统的外加润滑剂或涂层技术，这种内生型润滑机制具有更好的环境适应性和耐久性。特别值得注意的是，AlNbO₄相的发现为设计新型高温润滑材料提供了关键组分参考。研究提出的"基底防护-过渡缓冲-表层润滑"三级架构模型，可推广至其他高温结构材料的开发中。该成果不仅解决了工程领域的实际难题，也为多主元合金的功能化设计开辟了新方向。