以金属性与氧化WMoNb中熵合金粉末增强的铝基复合材料制备及磨损性能

《Materials》：Fabrication and Wear Performance of Al Matrix Composites Reinforced with Metallic and Oxidized WMoNb Medium-Entropy Alloy Powders

　　

研究人员采用等原子比WMoNb难熔中熵合金(RMEA)粉末及其选择性氧化衍生物(RMEO)作为增强相，研究其对铝(Al)基体复合材料制备与摩擦学性能的影响。等原子比WMoNb粉末经150 h高能球磨形成单相体心立方(BCC)固溶体，随后于650 ℃/4 h氧化，Mo与Nb选择性转化为Mo4O11与NbO0.76，而W保持金属态，获得核壳结构RMEO。通过冷压/烧结制备含2.5–10 wt.% RMEA或RMEO的复合材料，并采用销盘法(对偶Al2O3)评价干滑动磨损性能。两种增强相均呈剂量依赖性地降低纯Al的摩擦与磨损损失；RMEO在各添加比例下均优于RMEA，10 wt.%时摩擦系数与磨损量较纯Al降低约60%，硬度达最高132 HB。磨痕与轮廓分析表明磨损机制由纯Al的严重粘着磨损转变为RMEO复合材料中摩擦氧化物介导的保护性磨损机制。上述结果表明，难熔中熵合金粉末的选择性氧化是提升铝基复合材料耐磨性的有效策略。

研究背景方面，过去二十年多主元合金设计推动高熵合金(HEA)与中熵合金(MEA)发展，其中含W、Mo、Nb等难熔元素的体系因高温稳定性与高硬度备受关注。铝及铝合金虽比强度高、密度低，但硬度与耐磨性不足，传统陶瓷增强体存在界面不相容与脆化问题。现有HEA/MEA增强铝基复合材料研究多聚焦四至五元难熔HEA或涂层，三元WMoNb中熵合金粉末作为增强相及其表面选择性氧化构建核壳结构的作用尚未系统研究。为此，研究人员在《Materials》发表该研究，旨在明确WMoNb-RMEA与选择性氧化RMEO增强铝基复合材料的微观结构演化与干滑动磨损响应。

关键技术方法上，研究人员以高纯W、Mo、Nb元素粉按等原子比配料，经150 h高能球磨(氮气氛、球料比15:1)制得单相BCC固溶体RMEA粉末(~22.1 nm晶粒)；RMEA于650 ℃空气马弗炉氧化4 h获得核壳RMEA/RMEO；将0–10 wt.% RMEA或RMEO与商用纯Al粉(≥99.9%)低能混合，600 MPa冷压、550 ℃氩气烧结成Φ10 mm圆柱样；采用销盘干滑动磨损(10 N、0.1 m/s、1000 m、Al₂O₃对偶)评价性能，结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜能谱(SEM-EDS)_mapping、三维轮廓仪与磨面SEM分析。

研究结果部分，3.1节RMEA表征显示，150 h球磨后XRD仅存BCC(110)(200)(211)(220)峰，无金属间化合物，Scherrer计算晶粒~22.1 nm，ΔS_mix=9.13 J/(mol·K)(1.099R)、ΔH_mix=?4.44 kJ/mol，属MEA；SEM见亚微米不规则团聚，EDS_mapping证实W/Mo/Nb均匀。氧化后XRD出现Mo₄O₁₁与NbO_0.76相，W主峰保留，SEM由致密团聚转为松散枝晶状脆化形貌，O_map全覆盖表面，形成金属W核–Mo/Nb氧化物壳。3.2节复合材料表征中，Al-RMEA系列EDS显示2.5 wt.%时难熔元素稀疏孤立、10 wt.%时局部富集但无宏观团聚，RMEA相稳定性保持；Al-RMEO系列随添加量升高，O沿Al晶界成网覆盖，10 wt.%时W/Mo/Nb近连续分布且氧化网络最密。3.3节磨损分析表明，纯Al磨面深沟槽、粘着转移层与疲劳剥落，三维轮廓最大深度~268 μm、Rt~392 μm；10%RMEA出现裂纹网与残留孔隙，Rt~229 μm；10%RMEO磨面细直划痕加分支状白色摩擦氧化物(tribo-oxide)，Rt~101.8 μm，轨深较纯Al降约4倍。摩擦系数(COF)纯Al峰值~0.52，10%RMEA稳态0.225，10%RMEO稳态0.192；磨损量纯Al~131 mg，10%RMEA~68 mg，10%RMEO~52 mg(均降约60%)；硬度纯Al 61 HB、10%RMEA 114 HB、10%RMEO 132 HB。

讨论部分指出，长时球磨致BCC固溶与纳米晶/缺陷态，650 ℃选择性氧化源于Nb/Mo氧亲和势高于W，核壳结构保留金属核高硬、氧化物壳促润湿与应力缓冲；RMEO优于RMEA不仅因分散硬化，更因摩擦过程中原位生成保护性tribo-oxide膜抑制粘着转移，使磨损机制由严重粘着转为摩擦氧化物介导。结论部分翻译如下：等原子WMoNb RMEA经150 h高能球磨形成单相BCC固溶体(~22.1 nm晶粒；ΔS_mix=9.13 J/(mol·K)，ΔH_mix=?4.44 kJ/mol)，符合MEA判定；650 ℃/4 h氧化使Mo、Nb选择性转Mo₄O₁₁与NbO_0.76而W留金属态，得核壳RMEO。SEM/EDS确认2.5–10 wt.%下两增强相在Al基均匀分布，RMEO表面氧化网随含量增加。干滑动磨损呈剂量依赖改善：纯Al(COF 0.479、磨损131 mg、61 HB)，10%RMEA达COF 0.225、磨损68 mg(降53%与~48%)、114 HB；RMEO各比例均优，10%时COF 0.192、磨损52 mg(均降~60%)、132 HB。三维轮廓显示RMEA轨深降约2倍、RMEO降超4倍。磨面SEM证纯Al严重粘着+MML(机械混合层)，RMEA三体磨粒+疲劳剥落，RMEO磨粒/摩擦氧化物共治。综上，WMoNb RMEA及其RMEO均为有效增强相，RMEO全比例占优，证实难熔MEA粉末可控选择性氧化是调控轻量Al基复合材料摩擦学的可行策略。