CaF2/BaF2增强CoCrFeNiV基复合材料的高温自润滑性能与微观结构研究

针对极端工况下传统润滑剂失效问题，研究人员通过真空热压烧结技术制备了CoCrFeNiV-CaF2/BaF2自润滑复合材料。该材料在600°C时摩擦系数显著降低（归因于BaF2/CaF2与氧化釉层协同作用），800°C时V2O5进一步改善润滑性能，硬度达582.8±8 HV，为中高温工况提供了新型耐磨解决方案。

　　

在机械装备高速发展的今天，摩擦磨损导致的能源损耗每年造成数百万美元损失。传统液体润滑剂在高温（>400°C）、重载等极端条件下迅速失效，成为制约工业发展的瓶颈。高熵合金（High-entropy alloys, HEA）因其独特的多主元固溶效应和优异的高温稳定性，被视为新一代自润滑材料基体的理想选择。然而，含钒HEA在高温下机械强度下降、氧化加剧导致的磨损率攀升问题尚未解决。

中国研究人员通过真空热压烧结（Vacuum hot pressing, VHP）技术，创新性地将NASA常用润滑剂CaF₂/BaF₂与CoCrFeNiV高熵合金结合，开发出V5F（含5wt.%润滑剂）和V10F（含10wt.%）两种自润滑复合材料。研究发现，σ相（sigma-phase）的生成使材料硬度高达582.8±8 HV；600°C时摩擦表面形成的氧化釉层与氟化物协同作用，摩擦系数较基础合金降低40%；800°C时V₂O₅液相润滑效应使摩擦系数进一步降至0.3以下，但脆性棒状结构导致磨损率上升。该成果为航空航天发动机等中高温工况提供了兼具高强韧与自润滑特性的新材料。

关键技术方法
研究采用机械合金化制备CoCrFeNiV等摩尔比粉末，通过真空热压烧结（1200°C/30.4 MPa）成型。利用X射线衍射（XRD）分析相组成，扫描电镜（SEM）观察微观结构，维氏硬度仪测试力学性能，球-盘式摩擦试验机评估25-800°C区间摩擦学性能。

研究结果

1. 相结构分析：XRD显示复合材料含FCC相、σ相和CaF₂/BaF₂三相，未生成新相。σ相体积分数随温度升高而增加，是硬度提升的关键。
2. 机械性能：V10F在室温下硬度最高（582.8 HV），但压缩强度较基础HEA降低12%，归因于氟化物的弱界面效应。
3. 摩擦学行为：600°C时V5F表现最优，摩擦系数0.28，磨损率3.2×10^-5 mm³/N·m；800°C时V₂O₅润滑使摩擦系数降至0.22，但磨损率升至5.6×10^-5 mm³/N·m。

结论与意义
该研究证实CoCrFeNiV-CaF₂/BaF₂复合材料通过σ相强化和梯度润滑机制（低温氟化物/高温氧化物协同），在400-600°C区间实现"高硬度-低摩擦"平衡。尽管800°C时V₂O₅的脆性导致耐磨性下降，但为开发宽温域自润滑材料提供了新思路——通过调控钒含量可优化高温氧化层塑性。这项发表于《Vacuum》的工作，为下一代极端环境润滑材料设计奠定了实验与理论基础。