一种在高温下同时实现减摩和抗磨性能的难熔高熵合金及其制备方法和应用

本发明涉及难熔高熵合金，尤其涉及一种在高温下同时实现减摩和抗磨性能的难熔高熵合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、航空航天等领域关键热端部件要在高温工况下运行，摩擦磨损成为其面临的主要失效形式之一，开发高温减摩抗磨材料对减少能量耗散和提高零件服役寿命具有重要意义。据报道，大多数金属合金在干摩擦下诱发摩擦亚表层的塑性变形和微观结构改变，从而表现出较高的摩擦系数(0.6～1.2)。在实际生产中，通常采用引入固体润滑剂的方法来降低金属合金的摩擦系数。然而，传统固体润滑剂(如石墨、二硫化钼和金属银等)的加入往往会恶化材料的力学性能，且与基体结合性差，导致大部分自润滑复合材料难以满足服役要求。此外，在高温有氧条件下，环境温度和摩擦产生的热量会共同促进材料发生氧化，因此，氧化层将主导界面的摩擦磨损行为。研究表明，一些金属氧化物在高温下具有较低的剪切强度，也可以用作高温固体润滑剂。

2、作为一类新型合金材料，高熵合金(heas)因其独特的结构和性能特点受到广泛关注。难熔高熵合金(rheas)是指主要由高熔点难熔金属元素以等摩尔比或接近等摩尔比所组成的高熵合金。此外，巨大的成分涉及空间和独特的“鸡尾酒”效应为难熔高熵合金的设计和开发提供了更多的契机。难熔高熵合金具有传统高温合金无法比拟的高温强度和硬度，因此有望实现良好的高温摩擦磨损性能。然而，迄今为止，还未见有关难熔高熵合金在高温下同时实现减摩和抗磨性能的报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种在高温下同时实现减摩和抗磨性能的难熔高熵合金及其制备方法和应用。所述难熔高熵合金可以在高温下同时实现减摩和抗磨性能。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种在高温下同时实现减摩和抗磨性能的难熔高熵合金，包括nb、ta、v和w；

4、所述nb、ta、v和w的摩尔比为(21～35)：(24～36)：(32～44)：(4～8)。

5、优选的，还包括添加元素；

6、所述添加元素包括zr、mo和si中的一种或几种。

7、优选的，所述nb和添加元素的摩尔比为(21～35)：(0～4)；

8、且所述添加元素的摩尔量不为0。

9、本发明还提供了上述技术方案所述难熔高熵合金的制备方法，包括以下步骤：

10、采用真空电弧熔炼或烧结的方式，将所述难熔高熵合金的原料进行混合后，制备得到所述难熔高熵合金。

11、优选的，当所述制备方法采用真空电弧熔炼时，铸锭翻转重熔的次数≥5，每次重熔的熔炼电流独立地≥500a，每次重熔的时间独立地≥2min。

12、优选的，所述真空电弧熔炼前，先将真空电弧熔炼炉抽真空至8.5×10-4pa，然后充入氩气至-0.06mpa。

13、优选的，所述烧结的方式包括放电等离子烧结或真空热压烧结。

14、优选的，所述烧结的温度≥1600℃，时间≥20min。

15、优选的，所述烧结的过程在真空环境中进行，所述烧结的压力≥20mpa。

16、本发明还提供了上述技术方案所述难熔高熵合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的难熔高熵合金在高温减摩抗磨领域中的应用。

17、本发明提供了一种在高温下同时实现减摩和抗磨性能的难熔高熵合金，包括nb、ta、v和w；所述nb、ta、v和w的摩尔比为(21～35)：(24～36)：(32～44)：(4～8)。本发明所述难熔高熵合金在高温摩擦过程中发生摩擦化学反应，在磨损表面形成连续且致密的复合氧化物层。一方面，该复合氧化物层具有较低的剪切强度，起到固体润滑的作用；另一方面，该复合氧化物层阻止了摩擦副之间的直接接触，起到良好的抗磨作用。与大多数金属基自润滑复合材料和耐磨材料相比，本发明所述的难熔高熵合金在高温(800℃左右)具有更为优异的减摩抗磨性能，且化学成分和制备过程简单，有望应用于航空航天等领域高温自润滑耐磨部件。根据实施例的记载，本发明所述难熔高熵合金在800℃左右的高温下的摩擦系数≤0.3，磨损率≤1×10-5mm3·n-1·m-1。

技术特征：

1.一种在高温下同时实现减摩和抗磨性能的难熔高熵合金，其特征在于，包括nb、ta、v和w；

2.如权利要求1所述的难熔高熵合金，其特征在于，还包括添加元素；

3.如权利要求1或2所述的难熔高熵合金，其特征在于，所述nb和添加元素的摩尔比为(21～35)：(0～4)；

4.权利要求1～3任一项所述难熔高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当所述制备方法采用真空电弧熔炼时，铸锭翻转重熔的次数≥5，每次重熔的熔炼电流独立地≥500a，每次重熔的时间独立地≥2min。

6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述真空电弧熔炼前，先将真空电弧熔炼炉抽真空至8.5×10-4pa，然后充入氩气至-0.06mpa。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的方式包括放电等离子烧结或真空热压烧结。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度≥1600℃，时间≥20min。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述烧结在真空环境中进行，所述烧结的压力≥20mpa。

10.权利要求1～3任一项所述难熔高熵合金或权利要求4～9任一项所述制备方法制备得到的难熔高熵合金在高温减摩抗磨领域中的应用。

技术总结
本发明涉及难熔高熵合金技术领域，尤其涉及一种在高温下同时实现减摩和抗磨性能的难熔高熵合金及其制备方法和应用。本发明提供了一种在高温下同时实现减摩和抗磨性能的难熔高熵合金，包括Nb、Ta、V和W；所述Nb、Ta、V和W的摩尔比为(21～35)：(24～36)：(32～44)：(4～8)。所述难熔高熵合金可以在高温时同时实现优异的减摩和抗磨性能。

技术研发人员：张爱军,魏琦,孟军虎,辛本斌,韩杰胜,苏博,张俊彦
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12