纳米异质结构摩擦驱动演化：NiAlTa/cBN复合材料实现超常耐磨性的机制与策略

为解决航空发动机热端部件在高温(>1000℃)下的严重磨损问题，Shuai Yang团队通过放电等离子烧结(SPS)制备了NiAlTa/cBN复合材料，揭示了摩擦层纳米异质结构的演化机制。研究发现室温下非晶摩擦层(磨损率低至10-7 mm3·N-1·m-1)通过固态非晶化协同氧化形成，而高温下Ta3N5纳米颗粒的载荷支撑作用与cBN相变(fcc→hcp)共同提升了材料性能，为设计宽温域耐磨材料提供了新策略。

　　

在航空发动机领域，涡轮叶片尖端与机匣涂层的摩擦磨损是制约使用寿命的关键瓶颈。传统MCrAlYX/cBN复合材料在超过1000℃的极端环境下暴露出高温强度不足、陶瓷颗粒易脱落等问题，亟需开发新型耐高温耐磨材料。中国科学院金属研究所Shuai Yang团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表的研究，通过创新设计NiAlTa/cBN复合材料，系统揭示了从室温到1000℃全温域内摩擦诱导纳米异质结构的演化规律，为破解这一工程难题提供了理论支撑。

研究采用放电等离子烧结(SPS)技术制备复合材料，结合球-盘往复式摩擦试验机开展宽温域(25-1000℃)磨损实验，运用高分辨透射电镜(HRTEM)、几何相位分析(GPA)和共轴透射菊池衍射(TKD)等先进表征手段，揭示了材料微观结构演变与摩擦学性能的构效关系。

室温下的超低磨损机制

通过HRTEM观察到25nm厚非晶摩擦层，其形成源于ZrO₂磨损碎片的固态非晶化与氧原子掺杂的协同作用。几何相位分析显示该层存在严重晶格畸变(ε_xy>5%)，能有效协调滑动引发的弹塑性变形。特别值得注意的是，cBN颗粒表面生成的Ta₃N₅纳米颗粒(硬度达8088 HV)通过载荷支撑作用将接触应力分散，使复合材料磨损率降至4.25×10^-7 mm³·N^-1·m^-1，创下同类材料报道的最低值。

高温磨损的相变调控

在1000℃条件下，TKD分析发现cBN颗粒发生面心立方(fcc)→六方密排(hcp)相变，形成独特的20nm间距堆垛层错网络(SFNs)。这种相变通过Shockley不全位错的有序滑移实现，显著提升了颗粒的应变硬化能力。然而氧化剥离效应导致cBN断裂韧性从8.51 MPa·m^1/2骤降至4.49 MPa·m^1/2，Raman光谱证实表面B₂O₃(熔点450℃)的润滑作用部分抵消了这种不利影响。

梯度纳米结构的双重作用

纳米CT显示ZrO₂摩擦层(100nm晶粒)与亚表层(50-220nm梯度晶粒)构成特殊异质结构。虽然这种结构能通过高角度晶界(HAGBs)阻碍裂纹扩展，但应变局部化导致垂直滑动方向的裂纹萌生，这是高温磨损率升高的主因。有趣的是，亚表层中β-NiAl与(Ni,Al)Ta的软硬组合通过异质变形诱导强化，使材料在1000℃/100N条件下仍保持0.252的低摩擦系数。

该研究首次阐明了摩擦化学反应诱导的Ta₃N₅纳米颗粒生成机制，并提出了"非晶摩擦层-梯度纳米层-相变强化层"的三重防护策略。通过调控cBN表面hBN相变与金属基体非晶化的协同效应，实现了从室温到高温的全温域耐磨性能优化。这项工作不仅为航空发动机热端部件材料设计提供了新思路，其揭示的纳米异质结构演化规律对开发其他极端环境用复合材料具有重要借鉴意义。