纳米沉淀与复合梯度纳米结构协同构筑NiW750合金的超强耐磨性

为解决NiW750合金在弹头材料应用中耐磨性不足的问题，研究人员通过锻造→固溶→超声喷丸→时效（FSUA）新工艺，构建了纳米沉淀（NP）与复合梯度纳米结构（CGNS）协同强化的新型架构。结果表明，FSUA-6处理使合金摩擦系数（COF）和磨损率分别降低48%和42.8%，表面粗糙度参数Ra/Rmax下降75%/86%，显著提升了极端环境下的服役性能。该研究为高性能中重型合金设计提供了创新策略。

　　

在航空航天、军事和核能领域，中重型合金如NiW750（57Ni-37W-5Co-1Ta wt.%）因其高密度、优异力学性能及成本优势成为关键材料。然而，作为弹头材料时，传统NiW750合金依赖Ni₄W纳米沉淀（NP）单一强化机制，耐磨性和强度-塑性协同能力不足，难以满足极端穿透工况对材料表面完整性的严苛要求。如何通过创新工艺实现多尺度协同强化，成为亟待突破的技术瓶颈。

北京理工大学（Beijing Institute of Technology）的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，提出锻造→固溶→超声喷丸（USP）→时效（FSUA）的复合工艺路径，成功在NiW750中构建纳米沉淀-复合梯度纳米结构（NP-CGNS）。该结构通过梯度纳米晶（GNG）、梯度纳米孪晶（GNT）、梯度位错结构（GDS）与高密度Ni₄W沉淀的协同作用，实现表面性能跨越式提升。

研究采用力学性能测试、显微结构表征（EBSD、TEM）和摩擦磨损实验等关键技术。通过调控USP处理时间（0-6分钟），系统分析梯度结构演变与性能关联。

材料制备

以锻造态NiW750为基材，经1040℃固溶+油淬后，采用USP处理构建梯度结构，最终通过750℃/5h时效诱导Ni₄W沉淀。

机械和磨损性能

FSUA-6试样屈服强度提升18%至1017.7 MPa，硬化层深度超500 μm。磨损实验显示，其COF和磨损率较未处理样（FSUA-0）分别下降48%和42.8%，磨损表面分层、剥落现象显著减轻。

NP-CGNS结构构筑机制

TEM分析揭示：0-5 μm表层为纳米晶（Region I），5-12 μm为超细晶（Region II），>500 μm区域含高密度Ni₄W沉淀（尺寸<10 nm）。这种多尺度结构通过阻碍位错运动、分散应力集中，有效抑制磨损过程中的裂纹萌生与扩展。

结论与意义

该研究首次在NiW750中实现NP与CGNS的协同构筑，阐明其通过“梯度应变匹配-纳米沉淀钉扎”机制提升耐磨性的科学原理。FSUA工艺为开发适用于极端环境的高性能合金提供了可工程化的技术路径，在军工装备和能源领域具有重要应用前景。