[發明專利]一種高熵合金基高溫固體潤滑復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010162188.5
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111218603B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 楊軍;劉維民;程軍;耿鈺山;朱圣宇;談輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C1/04;B22F9/04;B22F3/105
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 曹向東

本發明涉及一種高熵合金基高溫固體潤滑復合材料的制備方法，該方法是指：按質量分數計，將97%~85%的AlCoCrFeNi高熵合金粉末與3~15%的Ag粉末放入不銹鋼罐中，依次經球磨混勻、放電等離子燒結后冷卻至室溫即得AlCoCrFeNi?Ag高熵合金基高溫固體潤滑復合材料。本發明制備工藝簡單、成本低、可靠性高，所得高熵合金基復合材料兼備良好的力學性能、寬溫域自潤滑和耐磨損性能，能夠滿足航空航天等領域中機械運動傳動部件高溫真空苛刻工況下的應用需求。

技術領域

本發明涉及固體潤滑耐磨損材料領域，尤其涉及一種高熵合金基高溫固體潤滑復合材料的制備方法。

背景技術

高熵合金是近年來打破傳統合金設計理念所提出的一種新型合金體系，其主要特點是“多主元”和“化學無序”。與傳統合金材料固溶體結構（由溶質和溶劑組成）相比，高熵合金是“質劑不分”的高濃度固溶體，從熱力學角度分析其具有更低的吉布斯自由能，更優異的高溫相和組織結構穩定性；從動力學角度分析，高熵合金材料在原子級微觀擴散的過程中表現出緩慢和遲滯的特性。因而，高熵合金較傳統金屬材料具有更優異的硬度、強度、韌性和熱穩定性等性能，有望在汽車、兵器和航空航天等領域獲得重要應用。

近十年來，許多性能卓越、多主元新型高熵合金材料被陸續設計出來，從相結構來劃分主要可以分為FCC相、BCC相或者FCC+BCC耦合相三類高熵合金材料。FCC相高熵合金由于具有更多的滑移帶和更低的堆積層錯能，通常具有較好的韌性和加工硬化能力；BCC相高熵合金由于嚴重的晶格畸變，通常具有較高的高溫硬度、屈服強度和抗磨損性能，是一種新型高溫耐磨損材料。

目前，有關BCC相高熵合金摩擦學研究和性能設計工作已經得到初步展開，其中，AlCoCrFeNi高熵合金被證實在高溫大氣環境下磨損表面能夠形成釉質保護層從而具有優異的耐磨損性能（Journal of Alloys and Compounds，2019, 777: 180-189），另外在AlCoCrFeNi高熵合金中摻雜其它合金元素如Cu、Mn或調控Al組元含量的比例可以進一步提升其耐磨損性能（Journal of Materials Science Technology, 2019, 35: 917-925；Wear，2013, 297: 1045-1051）。然而，研究發現，AlCoCrFeNi高熵合金在高溫環境下表現出非常高的摩擦系數、與接觸面之間黏著轉移非常嚴重（Wear, 2019, 428-429: 32-44），極易造成運動部件和空間機構的失效，嚴重限制其在航空航天領域的應用。

Au、Ag等軟金屬材料因其優異的易剪切特性，常在解決空間運動機構低摩擦、耐磨損和防冷焊等問題方面具有獨一無二的優勢，常用于空間潤滑功能薄膜材料和復合材料固體潤滑劑。但將固體潤滑劑Ag與高熵合金復合化時，由于Ag與高熵合金大部分金屬元素的結合焓相對較高，易形成偏析組織，導致材料整體的力學性能顯著下降。Zhang等（Journalof Alloys and Compounds, 2017, 725: 700-710）利用SPS技術制備了CoCrFeNi-Ag-BaF_2/CaF₂高熵合金基復合材料，該材料在室溫至800℃大氣環境下摩擦系數低于0.3，磨損率在10^-5(mm³/Nm)數量級，但屈服強度僅為468MPa。Gao等（Tribology International, 2019,131: 508-519）通過高能球磨和SPS技術制備的NiCoCrAl-Ag-MoS₂-LaF₃/CeF₃高熵合金基復合材料，雖然屈服強度可達到1014MPa，但塑性應變率只有10.8%；室溫至800℃大氣環境下摩擦系數在0.3~0.5之間，并且在400℃時磨損較大。中國專利CN 109161710 A公開了一種通過高能球磨和真空熱壓燒結法制備的FeCoCrNiAl-CaF₂高熵合金基復合材料，從RT到800℃，復合材料的摩擦系數和磨損率隨著CaF₂的質量分數從0%增加到10%而逐漸減小；但是其制備工藝主要通過高能球磨法制備高熵合金粉末，成本較高，難以規模化生產。