钨添加对CrCoFeMoNiW高熵合金力学性能和耐磨性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Tungsten Addition on Mechanical and Wear Performance of CrCoFeMoNiW x High Entropy Alloys

高熵合金CrCoFeMoNiW_x通过真空弧熔炼制备，研究钨含量对其力学性能和磨损行为的影响。结果表明，钨的添加形成FCC和μ相混合结构，W4合金硬度达768.4 HV，抗压强度1573.8 MPa，摩擦系数0.12，磨损率8.7×10^-5 mm3/N·m，显著提升高温性能与耐磨性。

　　高熵合金（High Entropy Alloys, HEAs）近年来因其独特的性能和复杂的组成而受到广泛关注。这些合金通常由五种或更多主元素构成，每种元素的原子百分比介于5%到35%之间，其特点在于高熵效应、晶格畸变、缓慢扩散以及混合效应，这些因素共同促进了HEAs在机械性能和加工性能方面的提升。HEAs在多个工业领域展现出广阔的应用前景，例如生物医学植入物、航空航天和核能等。由于其出色的机械强度、硬度、抗氧化性和耐磨性，HEAs成为材料科学领域研究的热点。

尽管HEAs具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战，这促使研究人员不断探索其性能优化路径。通过引入特定的合金元素，如铬（Cr）、锰（Mn）、钯（Pd）等，可以显著改善HEAs的性能。例如，Bag等人发现，在CoFeNi合金中加入Cr、Mn和Pd可以形成单一的面心立方（FCC）结构，从而提高合金的硬度。同时，其他研究显示，通过添加钼（Mo）和钨（W）等难熔金属，可以提升HEAs的机械特性、耐腐蚀性和耐磨性。这些元素的原子半径较大，能够引发晶格畸变，增强合金的硬度和强度。

在本研究中，科学家们设计并制备了一种新的高熵合金CrCoFeMoNiW_x，其中W的摩尔比例从0到1。通过真空电弧熔炼技术合成这些合金，并系统地研究了W含量对其机械性能和耐磨性的影响。研究发现，随着W含量的增加，合金的相结构逐渐发生变化，形成了FCC和金属间μ相的混合结构。其中，μ相主要由W和Mo组成，具有较高的硬度和强度。研究还指出，随着W比例的增加，μ相的比例也随之增加，从而显著提升了合金的机械性能。

在微观结构分析方面，研究人员使用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等多种手段。XRD结果表明，随着W含量的增加，FCC和μ相的比例发生变化，其中W4合金中μ相的比例最高，达到了约65.4%。SEM图像进一步显示，W的加入导致了合金微观结构的显著变化，形成了更复杂的晶粒排列和更精细的析出相。EBSD分析则揭示了不同合金中FCC和μ相的晶体取向和分布情况，显示随着W的增加，FCC相的比例逐渐减少，而μ相则更为连贯和广泛分布。

此外，研究人员还通过透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）技术对合金的微观结构进行了深入分析。TEM图像显示，随着W含量的增加，合金中形成了更多的硬相析出物，这些析出物作为位错运动的障碍，显著提升了合金的硬度和强度。SAED图案进一步确认了FCC和μ相的存在，并揭示了它们的晶体结构特征。同时，EDS线扫描和元素分布图谱显示，μ相富含W和Mo，而FCC相则富含Co、Ni和Fe，这种元素分布的差异性是μ相形成的关键因素之一。

在机械性能测试方面，研究人员测量了合金的维氏硬度（Vickers Hardness）和压缩强度（Compressive Strength）。结果表明，随着W含量的增加，合金的维氏硬度和压缩强度均有所提升。其中，W4合金在室温下的维氏硬度达到768.4 HV，而压缩强度则达到1573.8 MPa。这表明，W的加入不仅提高了合金的硬度，还增强了其抗压能力。值得注意的是，随着W含量的增加，合金的塑性变形能力有所下降，这可能与W引起的晶格畸变有关，导致位错运动受限，从而提高了合金的强度但降低了其延展性。

在高温性能方面，研究人员进行了热硬性测试，结果显示，随着W含量的增加，合金的热硬性也有所提高。例如，W4合金在400 °C时的热硬性达到了432.3 HV，这表明其在高温环境下仍能保持较高的硬度和强度。这种性能的提升可能与W在高温下仍能维持其结构稳定性有关，从而为HEAs在高温应用中的潜力提供了有力支持。

在耐磨性测试方面，研究人员使用了干滑动条件下的针盘摩擦试验机（pin-on-disk tribometer）评估了合金的磨损行为。测试结果显示，随着W含量的增加，合金的摩擦系数（COF）和特定磨损率（specific wear rate）均有所降低。其中，W4合金表现出最低的摩擦系数0.12和最低的特定磨损率8.7×10^-5 mm³/N m，显示出其在耐磨性方面的优异表现。这种优异的耐磨性可能与合金中形成的硬相析出物有关，这些析出物能够有效抵抗塑性变形和磨损。

在表面形貌分析方面，研究人员使用了3D接触轮廓仪（3D contact profilometer）和SEM技术对磨损轨迹进行了详细观察。结果表明，随着W含量的增加，磨损轨迹的宽度和深度显著减小，尤其是在W4合金中表现最为明显。这表明W的加入能够有效减少材料的磨损，提高其在摩擦环境下的稳定性。

此外，EDS分析显示，磨损轨迹中存在氧元素，这可能与摩擦过程中产生的氧化作用有关。氧化层可以作为自润滑层，减少表面直接接触，从而降低摩擦系数和磨损率。这种现象在之前的研究中也有所报道，表明氧化层的形成对HEAs的耐磨性有积极影响。

综上所述，本研究通过系统地分析CrCoFeMoNiW_x合金的组成、微观结构、机械性能和耐磨性，发现W的加入能够显著提升合金的硬度、强度和耐磨性。这些性能的提升主要归因于W在合金中形成的硬相析出物，以及其引起的晶格畸变和元素分布的改变。研究结果表明，CrCoFeMoNiW_x合金，尤其是W4合金，具有广阔的应用前景，尤其是在需要高强度和高耐磨性的工程领域。这些发现为未来HEAs的进一步研究和应用提供了重要的理论依据和实验支持。