纳米Al2O3强化NbTiTa中熵合金自润滑复合材料的高温耐磨机制研究

为解决高温氧化环境下难熔中熵合金(RMEA)自润滑复合材料因元素氧化活性差异导致的界面失稳问题，研究人员通过原位形成纳米晶-非晶复合层及Al2O3相界转变策略，成功设计出在600-800°C下具有超低磨损率(10?7–10?6 mm3 N?1 m?1)的NbTiTa基复合材料，为极端环境耐磨材料设计提供新思路。

　　

在航空航天和能源装备领域，高温摩擦磨损一直是制约材料性能的瓶颈问题。难熔高/中熵合金(RHEA/RMEA)虽具有优异高温稳定性，但其体心立方(BCC)结构在摩擦过程中易因元素氧化活性差异导致界面失稳，传统固体润滑剂如Ag、CaF₂/BaF₂共晶在高温下又会软化失效。如何协调材料强度与润滑性能的矛盾，成为国际材料学界亟待解决的难题。

中国科学院兰州化学物理研究所的研究团队独辟蹊径，选择单相BCC结构的NbTiTa中熵合金为基体，通过粉末冶金技术引入纳米Al₂O₃颗粒和Ag-CaF₂/BaF₂润滑相，构建出新型自润滑复合材料。研究发现，该材料在600°C摩擦时能原位形成2.1μm厚的(NbTiTa-O)非晶-纳米晶复合层，其显微硬度达15.8±1.6 GPa，同时Al₂O₃与基体间的相界从非共格转变为非晶结构，有效吸收应变能并抑制裂纹萌生。这些协同效应使材料在600-800°C下保持10^?7量级的超低磨损率，相关成果发表在《Journal of Materials Science》上。

研究采用粉末冶金法制备复合材料，通过高能球 milling实现纳米级均匀分散，结合放电等离子烧结(SPS)获得致密坯体。利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征相组成，采用高温摩擦磨损试验机评估性能，并借助透射电镜(TEM)解析界面结构演变。

【Composites preparation】
采用NbTiTa-5wt%Ag-5wt%CaF₂/BaF₂为基础体系，分别添加5wt%和10wt%纳米Al₂O₃，通过SPS在1200°C/50MPa下烧结制备出致密度>98%的复合材料。

【Phase distribution and microstructure】
XRD显示复合材料保持BCC主相，纳米Al₂O₃均匀分布在晶界处。10wt%Al₂O₃样品(10MAAF)的硬度比未强化样品提高45%，归因于纳米颗粒的钉扎效应。

【Anti-wear mechanism of in situ amorphous-nanocrystalline layers】
高温摩擦时，多元组分(NbTiTa/Al₂O₃/Ag/氟化物)协同促进氧化釉层形成。TEM证实摩擦诱导的相界非晶化能有效缓解应力集中，非晶-纳米晶复合层则通过高硬度和塑性变形能力实现表面保护。

【Conclusions】
该研究揭示了纳米Al₂O₃增强RMEA自润滑复合材料的三重机制：1)促进保护性氧化釉层形成；2)诱导相界非晶化吸收应变能；3)抑制裂纹扩展。这种界面工程策略为设计极端环境耐磨材料提供了普适性方法，对推动航空航天关键部件发展具有重要意义。研究还发现，5wt%Al₂O₃添加量即可实现最优性能，过量添加反而会因颗粒团聚降低增强效果，这为工业化应用提供了重要参数指导。