南科大又一新策略完成合金超高耐磨性能硬度高达650HV

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近来，南边科技大学资料科学与工程系助理教授任富增课题组提出经过晶粒结构纳米化、晶界原子偏聚和引进高密度共格纳米分出持平调控合金界面结构和化学成分的新战略完成室温文高温超高耐磨功能。相关研讨成果宣布在金属资料范畴尖端期刊Acta Materialia上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.039

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滑动磨损是影响金属构件执役寿数的首要的要素之一。因而，规划开发新式高强度、超耐磨合金资料对确保在恶劣工况环境中执役的工程构件的可靠性、耐久性和高效性至关重要。在较低的执役温度下，金属构件的耐磨功能首要取决于资料的硬度和冲突过程中资料亚外表的微观结构演化;而在高温执役环境中，资料外表不只遭到冲突触摸带来的剪切应力和压应力，并且简单产生热软化和高温氧化，然后极大影响资料的磨损功能，高温冲突环境中杂乱的力-热作用对金属晶粒结构的高温安稳性规划提出了更苛刻的要求。

钛合金具有高强度、耐腐蚀、耐高温以及杰出的生物相容性等长处，在骨、牙科等生物医疗以及轿车、航空航天等工业范畴都具有广泛的使用。但是，传统钛合金具有一个不行忽视的缺陷：耐磨功能差(与氧化铝对磨时，磨损率在10-2–10-3 mm3/N·m)，极大约束了其在苛刻环境中的广泛使用。例如，在生物医疗范畴，低耐磨性会导致钛合金植入体松动，并且假体周围的磨损颗粒会引发炎症，这是导致假体置换手术失利和再手术翻修的根本原因之一。因而，进步钛合金的耐磨损功能对钛合金执役耐久性特别的重要。

图1. TiMoNb合金的微观结构剖析：(a) XRD;(b) EBSD取向成像图;(c) HAADF-STEM图画;(d) BF-TEM图画;(e) Ti、Mo、Nb元素散布图;(f) 和(g) 分别为B1基体相和B2分出相的晶粒尺度散布图

基于此，任富增课题组提出经过晶粒结构纳米化、晶界原子偏聚和引进高密度共格纳米分出相的战略完成了合金在室温及高温环境下的超高耐磨功能。课题组研讨人员在对合金相图很多挑选和热力学核算基础上，选取等原子比TiMoNb合金为模型系统，从经典的强化机制动身规划成分和制备工艺，首要的强化思路包含以下几个方面：

一是固溶强化：Ti、Mo、Nb三种元素相互之间有着极大的固溶度，其间Mo-Nb彻底固溶，且三种元素之间不会构成金属间化合物，确保了固溶强化的作用;

二是共格界面：三种元素具有十分挨近的原子半径(rTi = 1.46 、rMo = 1.36 、rNb = 1.43 )且均为体心立方(bcc)结构，有助于共格界面的构成;

三是分出强化：Ti-Mo和Ti-Nb的二元相图显现，在850℃左右，会有少数Ti从bcc基体中分出，为分出强化带来了或许;

四是细晶强化：经过机械合金化和放电等离子体快速烧结(SPS)的手法以期制备出超细晶/纳米晶基体，并终究取得细晶强化的作用;

五是Ti、Mo、Nb三种合金元素常见于传统耐高温合金系统，是该合金执役于高温环境的前提条件。

课题组经过优化高能球磨和SPS工艺成功制备出了致密度大于99%，硬度高达650 HV的块体TiMoNb合金。

图2. TiMoNb合金的界面剖析：(a) 相邻B1/B2晶粒的HRTEM图画;(b) B1晶粒的IFFT和对应的FFT图画(插图);(c) B2晶粒的IFFT和对应的FFT图画(插图);(d) 相邻B1/B1晶粒的HRTEM图画;(e) APT测得的Ti-50 at.%等浓度面;(f) Ti-50 at.%等浓度面左右的Ti、Mo、Nb元素成分改变;(g) Ti原子散布图;(h) 与(g)中灰色区域对应的Ti、Mo、Nb元素成分改变;(i) TiMoNb合金微观结构的示意图

微观结构剖析标明，该合金由两相组成，包含均匀晶粒尺度(d)为188 nm的B1基体相和弥散散布的富Ti B2分出相(d = 79 nm; 7 vol.%)，B1和B2两相为共格界面。凭借三维原子探针(3D APT)技能，在B1/B2界面处发现Ti原子偏聚，界面厚度约3nm，充分说明试验之初规划的强化机制在该合金中均得到表现。以氧化铝球为冲突副(硬度~1500 HV)，对TiMoNb合金的耐磨损功能测验结果标明：在室温下，TiMoNb合金与氧化铝的磨损率在同一数量级，(10-4(mm3/N·m);在600℃时，TiMoNb合金的磨损率低至3.15×10-6mm3/N·m，显现了该合金具有超高的耐磨功能，极大突破了传统钛合金的耐磨性。课题组在对磨痕外表及亚外表的成分结构深化表征剖析的基础上，进一步提醒疲惫裂纹的来源，阐明晰其在室温文高温环境中的磨损机制。

任富增介绍，该研讨成果对执役于极点环境的新式高强耐磨合金规划供给了新思路，将有助于开辟多主元合金在耐磨损范畴的使用，对规划用于苛刻环境的高强度、耐磨损、热安稳合金具有必定含义，且为拓宽界面相工程在多主元高熵合金范畴的使用发掘了潜在研讨方向。本研讨中开宣布的TiMoNb合金除可用于高温耐磨资料之外，其高强度、杰出的生物相容性、反抗腐蚀才能使其在牙科、骨科等医用植入资料范畴亦有广泛的使用远景。

2016级南科大-澳门大学联培博士生朱轻轻为论文榜首作者，任富增为论文仅有通讯作者;澳门大学机电工程系教授郭志达为朱轻轻的联培协作导师，对研讨工作提出了辅导定见;香港理工大学机械工程系教授焦增宝和香港城市大学资料科学与工程系栾军华博士担任完成了本研讨的3D APT表征。南边科技大学为榜首单位和通讯单位。本项研讨得到了深圳市基础研讨学科布局项目、广东省立异创业团队等项目的赞助以及南科大皮米中心的技能上的支撑。