银合金化策略优化FeCoCrNiAl高熵合金摩擦系统的多尺度调控机制研究

研究人员针对高熵合金(HEAs)在摩擦磨损性能优化需求，通过银(Ag)合金化策略系统研究FeCoCrNiAl-xAg体系的摩擦学行为。研究发现15 wt.% Ag含量的HEA表现出最优异的耐磨性，其机制在于Ag诱导的界面剪切应变集中效应。该研究为设计具有稳定摩擦学性能的高熵合金提供了重要理论依据，在航空航天等高端装备领域具有应用价值。

　　

在材料科学领域，高熵合金(HEAs)因其独特的多主元设计理念展现出卓越的力学性能和耐磨损特性，成为新一代结构材料的明星选手。然而，随着航空航天、海洋工程等极端工况对材料性能要求的不断提高，传统高熵合金在长期摩擦工况下仍面临磨损率不稳定、润滑性能不足等挑战。特别是在动态摩擦界面，如何实现材料强度与润滑特性的协同调控，成为制约高熵合金工程化应用的关键瓶颈。

针对这一科学难题，来自中国的研究团队在《Materials Today Communications》发表了创新性研究成果。该研究选择具有优异综合性能的FeCoCrNiAl高熵合金为基础体系，通过引入银(Ag)元素进行合金化设计，系统探究了Ag含量(0-20 wt.%)对材料摩擦学性能的多尺度调控机制。研究团队采用分子动力学(MD)模拟与实验验证相结合的方法，首次揭示了Ag元素诱导的界面剪切应变集中效应，为高熵合金摩擦系统的性能优化提供了全新思路。

研究主要运用了四项关键技术：1) 氦气保护下的机械合金化制备FeCoCrNiAl-xAg系列合金；2) 多功能摩擦磨损测试仪进行1-8N载荷下的往复摩擦实验；3) 主成分分析(PCA)和时间序列分析处理摩擦系数(COF)数据；4) LAMMPS软件进行原子尺度的分子动力学模拟。

【Materials】
研究采用微米级FeCoCrNiAl粉末(D₅₀=29μm)和纳米银粉(D₅₀=86nm)为原料，通过90rpm转速的12小时机械混合确保成分均匀性。

【Time Series Analysis of COF】
摩擦系数演变分析显示，15 wt.% Ag样品在所有载荷(1-8N)下均表现出最稳定的摩擦行为。特别在8N高载荷下，其稳态COF比未添加Ag的样品降低约35%，证实Ag的润滑效应随载荷增加而增强。

【Conclusion】
研究得出三个重要结论：(1) PCA分析表明15 wt.% Ag含量使COF波动幅度降低42%，显著提升摩擦稳定性；(2) MD模拟揭示Ag元素促使摩擦界面形成局部剪切应变集中区，优化了载荷分布；(3) 15 wt.% Ag样品磨损率最低达10^-5 mm³/(N·m)量级，比基体合金提高两个数量级。

这项研究的突破性发现在于从原子尺度阐明了Ag元素对高熵合金摩擦界面的调控机制。通过构建"应力集中-应变协调"的协同作用模型，不仅解决了传统HEAs在摩擦过程中硬度与韧性难以兼顾的矛盾，更开创了通过局部应变工程优化材料摩擦学性能的新范式。该成果对开发新一代高稳定性耐磨材料具有重要指导意义，特别为航天轴承、海洋装备等关键部件的材料设计提供了理论支撑。