近日，南方科技大學材料科學與工程系助理教授任富增課題組提出通過晶粒結構納米化、晶界原子偏聚和引入高密度共格納米析出相等調控合金界面結構和化學成分的新策略實現室溫和高溫超高耐磨性能。相關研究成果發表在金屬材料領域頂級期刊Acta Materialia上。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.039
滑動磨損是影響金屬構件服役壽命的重要因素之一。因此，設計開發新型高強度、超耐磨合金材料對保證在惡劣工況環境中服役的工程構件的可靠性、耐久性和高效性至關重要。在較低的服役溫度下，金屬構件的耐磨性能主要取決於材料的硬度和摩擦過程中材料亞表面的微觀結構演變；而在高溫服役環境中，材料表面不僅受到摩擦接觸帶來的剪切應力和壓應力，而且容易產生熱軟化和高溫氧化，從而極大影響材料的磨損性能，高溫摩擦環境中複雜的力-熱作用對金屬晶粒結構的高溫穩定性設計提出了更苛刻的要求。
鈦合金具有高強度、耐腐蝕、耐高溫以及良好的生物相容性等優點，在骨、牙科等生物醫療以及汽車、航空航天等工業領域都具有廣泛的應用。然而，傳統鈦合金具有一個不可忽視的缺點：耐磨性能差（與氧化鋁對磨時，磨損率在10-2–10-3 mm3/N·m），極大限制了其在嚴苛環境中的廣泛應用。例如，在生物醫療領域，低耐磨性會導致鈦合金植入體鬆動，而且假體周圍的磨損顆粒會引發炎症，這是導致假體置換手術失敗和再手術翻修的主要原因之一。因此，提高鈦合金的耐磨損性能對鈦合金服役耐久性尤為重要。
圖1. TiMoNb合金的微觀結構分析：(a) XRD；(b) EBSD取向成像圖；(c) HAADF-STEM圖像；(d) BF-TEM圖像；(e) Ti、Mo、Nb元素分布圖；(f) 和(g) 分別為B1基體相和B2析出相的晶粒尺寸分布圖
基於此，任富增課題組提出通過晶粒結構納米化、晶界原子偏聚和引入高密度共格納米析出相的策略實現了合金在室溫及高溫環境下的超高耐磨性能。課題組研究人員在對合金相圖大量篩選和熱力學計算基礎上，選取等原子比TiMoNb合金為模型體系，從經典的強化機制出發設計成分和製備工藝，主要的強化思路包括以下幾個方面：
一是固溶強化：Ti、Mo、Nb三種元素相互之間有著極大的固溶度，其中Mo-Nb完全固溶，且三種元素之間不會形成金屬間化合物，保證了固溶強化的效果；二是共格界面：三種元素具有非常接近的原子半徑（rTi = 1.46、rMo = 1.36、rNb = 1.43）且均為體心立方（bcc）結構，有助於共格界面的形成；三是析出強化：Ti-Mo和Ti-Nb的二元相圖顯示，在850℃左右，會有少量Ti從bcc基體中析出，為析出強化帶來了可能；四是細晶強化：通過機械合金化和放電等離子體快速燒結(SPS)的手段以期製備出超細晶/納米晶基體，並最終獲得細晶強化的效果；五是Ti、Mo、Nb三種合金元素常見於傳統耐高溫合金體系，是該合金服役於高溫環境的前提條件。
課題組通過優化高能球磨和SPS工藝成功製備出了緻密度大於99%，硬度高達650 HV的塊體TiMoNb合金。
圖2. TiMoNb合金的界面分析：(a) 相鄰B1/B2晶粒的HRTEM圖像；(b) B1晶粒的IFFT和對應的FFT圖像（插圖）；(c) B2晶粒的IFFT和對應的FFT圖像（插圖）；(d) 相鄰B1/B1晶粒的HRTEM圖像；(e) APT測得的Ti-50 at.%等濃度面；(f) Ti-50 at.%等濃度面左右的Ti、Mo、Nb元素成分變化；(g) Ti原子分布圖；(h) 與(g)中灰色區域對應的Ti、Mo、Nb元素成分變化；(i) TiMoNb合金微觀結構的示意圖
微觀結構分析表明，該合金由兩相組成，包括平均晶粒尺寸(d)為188 nm的B1基體相和彌散分布的富Ti B2析出相（d = 79 nm; 7 vol.%），B1和B2兩相為共格界面。藉助三維原子探針（3D APT）技術，在B1/B2界面處發現Ti原子偏聚，界面厚度約3nm，充分說明實驗之初設計的強化機制在該合金中均得到體現。以氧化鋁球為摩擦副（硬度~1500 HV），對TiMoNb合金的耐磨損性能測試結果表明：在室溫下，TiMoNb合金與氧化鋁的磨損率在同一數量級，（10-4（mm3/N·m）；在600℃時，TiMoNb合金的磨損率低至3.15×10-6mm3/N·m，顯示了該合金具有超高的耐磨性能，極大突破了傳統鈦合金的耐磨性。課題組在對磨痕表面及亞表面的成分結構深入表徵分析的基礎上，進一步揭示疲勞裂紋的起源，闡明了其在室溫和高溫環境中的磨損機制。
任富增介紹，該研究成果對服役於極端環境的新型高強耐磨合金設計提供了新思路，將有助於開拓多主元合金在耐磨損領域的應用，對設計用於嚴苛環境的高強度、耐磨損、熱穩定合金具有一定意義，且為拓展界面相工程在多主元高熵合金領域的應用挖掘了潛在研究方向。本研究中開發出的TiMoNb合金除可用於高溫耐磨材料之外，其高強度、良好的生物相容性、耐腐蝕性使其在牙科、骨科等醫用植入材料領域亦有廣泛的應用前景。
2016級南科大-澳門大學聯培博士生朱微微為論文第一作者，任富增為論文唯一通訊作者；澳門大學機電工程系教授郭志達為朱微微的聯培合作導師，對研究工作提出了指導意見；香港理工大學機械工程系教授焦增寶和香港城市大學材料科學與工程系欒軍華博士負責完成了本研究的3D APT表徵。南方科技大學為第一單位和通訊單位。本項研究得到了深圳市基礎研究學科布局項目、廣東省創新創業團隊等項目的資助以及南科大皮米中心的技術支持。
來源：南方科技大學，供稿單位：材料科學與工程系