摩擦层完整性控制FeCrNi、CoCrNi与FeCoCrNi合金至1000°C的磨损行为

《Scripta Materialia》：Tribolayer Integrity Controls the Wear Behaviour of FeCrNi, CoCrNi, and FeCoCrNi Alloys Up to 1000°C

　　

高温耐磨材料设计通常依赖力学主导策略，而摩擦层（tribolayer）的性质与完整性常被忽视。研究人员通过评估FeCrNi、CoCrNi与FeCoCrNi中熵合金（medium-entropy alloys, MEAs），解耦了力学性能与摩擦层完整性。三种合金在1000°C均形成釉层（glaze layer），但FeCrNi磨损率为CoCrNi的5倍、FeCoCrNi的3倍。基体高温硬度与釉层纳米压痕硬度在三者间差异不大，表明FeCrNi磨损恶化并非仅由基体或釉层力学性能决定。相反，富含纳米级晶间空洞的釉层，连同界面空洞与较厚氧化皮，促进了保护釉层的剥落。该发现为高温耐磨合金提供了以摩擦层为核心的设计准则。

研究背景与立项依据

高温磨损导致航空航天、发电与制造等领域关键部件性能退化、可靠性下降及能耗与排放增加。传统耐磨材料设计以力学指标（硬度、加工硬化、损伤容限）为主导，但在环境气氛下高温滑动接触不可避免发生氧化，氧化屑被破碎、压实并烧结成覆盖基体的釉层，使磨损机制转变并降低材料流失。面心立方（face-centred cubic, fcc）中/高熵合金因热稳定性与亚表面强化潜力成为候选，但多主元氧亲和势与扩散动力学差异使摩擦层化学异质；釉层厚度、微观结构与摩擦学性质受合金体系影响的研究仍不充分，磨损诱导的化学/组织异质如何反馈磨损行为尚不清楚。

研究开展与总体结论

研究人员以等原子比fcc结构FeCrNi、CoCrNi、FeCoCrNi MEAs为对象，在25–1000°C干滑动条件下比较磨损行为，表征基体与釉层硬度、氧化物组成、截面组织及缺陷。结果表明：1000°C时三者均因釉层使磨损率显著下降，但FeCrNi磨损率最高（6.1×10^-5 mm³/Nm），为CoCrNi（1.2×10^-5）5倍、FeCoCrNi（2.3×10^-5）3倍。基体高温维氏硬度与釉层纳米压痕硬度（7.1±1.7、8.0±1.2、8.9±1.8 GPa）差异不足以解释此倍数差；FeCrNi恶化主因是摩擦层完整性差：釉层内纳米级晶间空洞（平均等效圆径68 nm）、釉层/Cr富集氧化层界面空洞、以及最厚氧化皮共同促剥落。该研究发表于《Scripta Materialia》，意义在于提出高温耐磨合金设计须同时考量高温力学性能与摩擦层完整性。

主要关键技术方法

研究人员采用电弧熔炼于水冷铜板制等原子比铸锭（翻转重熔≥4次保证均匀），机加工盘样经1200目打磨；使用销盘试验机（pin-on-disc tribometer）配原位加热室与3/8英寸白氧化铝球对偶，在25、400、600、800、1000°C于5 N、100 rpm滑动（到达温度持温15 s），每组3独立样品重复；磨损率由轮廓仪测体积损计算。相组成用X射线衍射（XRD），磨痕形貌/元素用扫描电镜-能谱（SEM-EDS），釉层氧化物用X射线光电子能谱（XPS）与拉曼光谱；基体高温硬度用维氏显微压痕（Ar气防氧化，≤800°C），釉层与亚表面硬度用纳米压痕（横截面双向阵列）；釉层微结构用聚焦离子束制样的扫描透射电镜-能谱（STEM-EDS），空洞尺寸分布用ImageJ量化，非晶区用高分辨像与快速傅里叶变换（FFT）判定。

研究结果

材料制备与基础表征

铸态三合金均为单一fcc相；维氏硬度随温升因热软化下降，高温下相互差异小。磨损率随温度变化趋势一致：25→600°C上升，800°C下降，1000°C最低；FeCrNi磨损率最高且磨痕粗糙度高，剥落坑深约24 μm，CoCrNi与FeCoCrNi剖面平滑。

磨痕形貌与截面组织

25–400°C为磨料沟槽主导；600–800°C出现大氧化斑；1000°C磨痕浅窄、氧含量~40 at.%。FeCrNi摩擦层最厚且釉层不连续、具局部剥落坑与暗灰斑；CoCrNi与FeCoCrNi釉层均匀，后者厚于前者。截面EDS显示三者釉层（混合氧化物）下均有薄Cr富集氧化层，分隔高氧区与缺氧区；FeCrNi在釉层/Cr氧化层界面见空洞，局部剥落处Cr层仍黏基体，表明界面结合弱。

釉层成分与纳米压痕

XPS/拉曼示顶层共存尖晶石FeCr₂O₄、NiFe₂O₄、NiCr₂O₄，含Co合金有CoO（CoCrNi中Co²⁺ 22 at.%、FeCoCrNi中29 at.%）。纳米压痕示釉层硬度远高于基体，向深度迅速降后趋稳；横向散射源于摩擦层非均匀、氧丰/缺氧混杂及缺陷。釉层硬度FeCrNi略低，与其富缺陷相关。

摩擦层完整性机制

STEM-HAADF显示FeCrNi釉层内大量晶间空洞（沿晶界、周缘伴非晶样区，FFT佐证），平均68 nm，集中于釉层而非扩散前缘；这些缺陷促层剥落，剥落物作三体磨料或转移至氧化铝对偶。氧化皮厚度序FeCrNi>FeCoCrNi>CoCrNi；据氧化皮压缩模型 ε_c^s=√(2γ₀/(d E_ox(1-ν)))，临界剥离应变反比于√d，故更厚氧化皮更易剥落，Fe高含量倾向更强摩擦氧化。

讨论与结论翻译

研究人员总结：三种等原子fcc MEA在1000°C因釉层磨损率大降，但FeCrNi最高（CoCrNi 5倍、FeCoCrNi 3倍）。基体高温硬度相近、釉层压痕硬度差小，说明耐磨损差异非纯力学控制；更高磨损率关联于釉层晶间空洞缺陷、氧化皮厚度及釉层/Cr氧化层界面空洞，这些特征促进保护釉层剥落。本研究强调高温耐磨材料设计须同时计入高温力学性能与摩擦层完整性。