顆粒增強高熵基復(fù)合材料成形及其摩擦學(xué)性能研究進展

王汝江，葉國晨，解昊田，單彩霞，唐躍躍，許泉，陳正

塑性成形

顆粒增強高熵基復(fù)合材料成形及其摩擦學(xué)性能研究進展

王汝江1，葉國晨2，解昊田1，單彩霞1，唐躍躍2，許泉2，陳正1

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 材料與物理學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇威拉里新材料科技有限公司，江蘇 徐州 221000）

高熵合金是近十幾年新發(fā)展起來的一種全新概念的多元合金，其在物理、化學(xué)性能和力學(xué)性能方面有很多優(yōu)點，為了解決高熵合金在摩擦磨損應(yīng)用方面的局限性，提高其綜合力學(xué)性能，以高熵合金為基體加入增強相合成的復(fù)合材料（HEAMCs）成為金屬領(lǐng)域研究的熱點?；诖?，根據(jù)研究現(xiàn)狀綜述了不同HEAMCs的制備成形方法，從制備方法的優(yōu)缺點對粉末冶金法、熔煉法、激光熔覆法進行了詳細的分析。歸納了HEAMCs中納米細晶強化及第二相協(xié)同強化兩個方面的強化機制，分別概括了室溫和高溫情況下HEAMCs的摩擦磨損性能的研究，最后對HEAMCs目前所面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展進行了討論和展望。

高熵基復(fù)合材料；制備方法；強化機制；摩擦磨損性能

高熵合金是一種新型金屬材料，這一概念最早由臺灣學(xué)者葉均蔚及其團隊在對一系列等原子比和近等原子比的多組元合金進行研究后提出。高熵合金由5種或5種以上的元素組成，其中各元素的原子數(shù)分數(shù)在5%～35%之間[1]。這種多元素混合的組成方式使合金具有高混合熵，抑制形成金屬間化合物，物相組成趨向于簡單固溶體結(jié)構(gòu)。獨特的晶體結(jié)構(gòu)使高熵合金具有高熵效應(yīng)、遲滯擴散效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)及雞尾酒效應(yīng)，這些效應(yīng)賦予了合金優(yōu)異的性能，如高強度、高硬度、良好的延展性、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性、耐磨性等[2-4]。優(yōu)異的性能使高熵合金在航空航天、模具、刀具等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

復(fù)合材料是由2種或2種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相新型材料，按照基體類型可以分為2類：（1）金屬基復(fù)合材料，比如鋁合金、鎳合金等；（2）非金屬基復(fù)合材料，比如玻璃纖維等[5]。復(fù)合材料中的增強相主要有顆粒、纖維及混合增強相，相較于纖維作為增強相會導(dǎo)致性能各向異性從而限制其應(yīng)用，顆粒增強的復(fù)合材料制備成本更低且工藝更加簡單。除了外加增強相以外，還有一類原位生成增強相的自生復(fù)合材料，如共晶高熵合金是高熵合金與原位形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)相結(jié)合而成的復(fù)合材料[6]。近年來，為了提高合金的耐磨性，越來越多的研究選擇綜合力學(xué)性能良好的高熵合金為基體，外加或自生增強相組合成復(fù)合材料，通過納米強化和第二相協(xié)同強化可以進一步改善高熵合金的摩擦磨損性能。

高熵合金基復(fù)合材料（High?Entropy?Alloy?Ma-trix Composites，HEAMCs）的研究及發(fā)展?jié)M足了更多惡劣工作條件下的需求，各種性能的疊加使材料已有性能得到提高或是進一步獲得新的特性。例如，文獻[7]采用激光熔覆方法制備了WC顆粒增強的FeCoCrNiCu高熵合金基復(fù)合材料涂層，研究了WC的添加對涂層力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，WC增強后的涂層強度、硬度遠優(yōu)于基體。文中首先介紹了不同HEAMCs的制備方法，其次從納米強化和第二相協(xié)同強化兩個方面分析了HEAMCs的強化機制，然后分別闡述了室溫和高溫條件下HEAMCs摩擦磨損機理和性能的研究，最后對HEAMCs存在的不足及發(fā)展進行討論和展望。

1 復(fù)合材料的制備成形方法

文中主要介紹的是以高熵合金為基體，外加或自生碳化物、氧化物等顆粒作為增強相制備而成的復(fù)合材料。HEAMCs的制備方法主要有粉末冶金法、熔煉法，此外還使用激光熔覆工藝制備HEAMCs涂層。近年來典型的復(fù)合材料基體體系、增強相及制備工藝如表1所示。

1.1 粉末冶金法

粉末冶金法（Powder Metallurgy，PM）是指多種元素粉末混合均勻后在球磨機中球磨充分再進行燒結(jié)致密化的一種工藝[8]。球磨前應(yīng)在球磨罐中加入合適的分散劑，避免粉末團聚嚴重，排凈空氣后再充入氬氣等惰性保護氣體。球磨過程中，粉末在球磨罐中高速運轉(zhuǎn)，與磨球及罐壁進行碰撞，粉末之間不停地發(fā)生焊合、粉碎，直至粉末不斷細化甚至達到納米級。

表1 近年來典型的復(fù)合材料基體體系、增強相及制備工藝

Tab.1 Typical matrix system, reinforced phase and preparation process of composites in recent years

粉末冶金法對于基體和增強材料的限制要求較少，且容易對增強相的體積分數(shù)進行控制，相對于普通的鑄造技術(shù)而言，經(jīng)過機械合金（Mechanical Alloying，MA）加工之后，增強材料將分布得更加均勻。在機械合金化后[9]，粉末需要進行燒結(jié)，使樣品固結(jié)成形。燒結(jié)方法因工藝的不同分為多種，常用的有熱等靜壓燒結(jié)法和放電等離子燒結(jié)法。

在熱等靜壓燒結(jié)法（Hot Isostatic Pressing Sintering，HIP）的制備過程中，粉末受各向均衡的氣體壓力，在高溫高壓的同時作用下完成粉末固結(jié)。粉末在燒結(jié)過程中受到各向同性的壓力[10]，所以燒結(jié)后的組織致密、均勻；HIP的燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短，可以降低有害的界面反應(yīng)，這些優(yōu)點都使熱等靜壓固結(jié)后的樣品的性能得到提高。Pandey等[11]采用HIP制備了含不同體積分數(shù)Cr3C2的FeCoCrNiMn基復(fù)合材料，分析增強相與基體之間的界面反應(yīng)，通過銷-盤摩擦磨損實驗來研究磨損機制，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)有利于增強相與基體間的結(jié)合及Cr3C2在含量較少時材料耐磨性已經(jīng)顯著提高。盡管HIP制備材料具有以上介紹的優(yōu)點，但是此方法也有設(shè)備昂貴、運行成本高等缺點。

放電等離子燒結(jié)法（Spark Plasma Sintering，SPS）是將粉末裝入石墨或其他材質(zhì)制成的模具內(nèi)，在電場、壓力、溫度共同作用下使粉末快速燒結(jié)成固體[12]。粉末顆粒間在電場的作用下發(fā)生放電，可以在短時間內(nèi)快速實現(xiàn)致密化，不僅節(jié)約時間、提高制備效率，而且燒結(jié)溫度低，可以很好地抑制所得燒結(jié)體晶粒長大，提高其性能。Zhou等[13]采用SPS制備了WC/AlFeCoNiCrTi高熵基復(fù)合材料及WC/Co金屬基復(fù)合材料，并對兩者的性能進行了比較分析。結(jié)果表明，WC/20%（質(zhì)量分數(shù)）AlFeCoNiCrTi的硬度為2 231HV，斷裂韌度可達8.33 MPa·m1/2，而抗壓強度則高達5 219 MPa，力學(xué)性能遠優(yōu)于WC/20%（質(zhì)量分數(shù)）Co合金。除了上述優(yōu)點之外，SPS過程中放電產(chǎn)生的高能粒子會撞擊顆粒間的接觸部分，使物質(zhì)蒸發(fā)，達到凈化和活化顆粒表面的作用[14]，多用于制備需要粉體致密且界面清潔的固體材料，被認為是具有發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)。

1.2 熔煉法

熔煉法包括真空電弧熔煉法（Vacuum Arc Melting，VAM）和真空感應(yīng)熔煉法（Vacuum Induction Melting，VIM）[15]，使用熔煉法制備的復(fù)合材料中增強相通常在基體中原位自生。原位自生的原理是使不同元素或者化合物之間在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在基體中產(chǎn)生一種或者幾種顆粒作為增強相加強基體，提高基體的強度或耐磨性等性能。增強體一般是具有高硬度、高彈性模量和高溫強度的陶瓷顆粒，如碳化物、氮化物、硼化物等，其往往同Al、Mg、Cu等金屬復(fù)合，得到性能優(yōu)良的材料。

與粉末冶金法的直接加入不同，原位自生過程中的增強顆粒是在基體內(nèi)形核然后長大的。原位生成顆粒的過程中，增強顆粒的尺寸受形核點數(shù)目、粗化速率和生長速率的控制，而這些速率又進一步取決于增強顆粒中元素的擴散系數(shù)和增強顆粒/基體間的界面能[16]。例如，Wu等[17]采用VIM在FeCrNiCuV0.1高熵合金基體上原位合成了TiC增強顆粒以形成復(fù)合材料，材料具有較高的抗拉強度（1 006.5? MPa）和良好的延展性（15.6%）。Zhang等[18]采用VAM原位合成了TiC（體積分數(shù)分別為5%、10%、15%）顆粒增強CoCrFeNi高熵合金基復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，在爐冷的情況下，體積分數(shù)5% TiC的試樣增強顆粒沿晶界形成。隨著TiC體積分數(shù)的增加，增強相產(chǎn)生的強化效應(yīng)使抗拉強度值和硬度值隨之升高。Xu等[19]采用VAM制備了NbMoTiVSix共晶高熵合金，并研究了其組織性能。結(jié)果表明，隨著Si含量的增加，晶界處形成了由BCC相和硅化合物組成的共晶組織。在晶界強化的作用下，合金的屈服強度從1 141.5 MPa提高至2 093.1 MPa。相較于其他制備方法，增強相原位自生的制備方法有不同的優(yōu)勢，由于增強顆粒是從基體中形核、長大、析出的，因此避免了像粉末冶金法那樣在外加顆粒過程中易引入雜質(zhì)元素進而引起有害界面反應(yīng)，使增強相顆粒和基體有良好的潤濕性，加強兩者之間的界面結(jié)合。

1.3 激光熔覆法

上述幾種方法通常用來制備塊體高熵基復(fù)合材料，但是原料元素種類多、價格昂貴，易造成資源浪費[20]，因此，為了降低成本，采用激光熔覆法制備的高熵基復(fù)合材料涂層應(yīng)運而生。該技術(shù)具有加熱溫度高、冷卻速度快等優(yōu)點，用此方法制備得到的涂層具有較高的強度、良好的耐疲勞性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等性能。安旭龍等[21]采用激光熔覆工藝在Q235鋼基體上制備了WC/FeCoCrTiSi高熵基復(fù)合材料涂層，研究分析了WC顆粒對涂層組織結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明，添加WC增強顆粒后，涂層晶粒細化，且形成了大量的金屬間化合物，如TiCo3、Co1.07Fe18.93。涂層平均硬度提高了23%，摩擦因數(shù)和磨損率減小，耐磨性能顯著提高。

2 高熵基復(fù)合材料的強化機制

高熵基復(fù)合材料的強韌化一方面可以通過改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，另一方面也可以通過滲碳、鍍膜等表面處理來實現(xiàn)[37]。以下主要介紹通過改變內(nèi)部組織產(chǎn)生納米細晶強化效應(yīng)和第二相協(xié)同強化效應(yīng)來實現(xiàn)強韌化，達到改善性能的目的。

2.1 納米強化

納米復(fù)合材料是指納米尺度范圍內(nèi)的增強相均勻分布在基體上形成的材料[38]。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料不同，納米尺度的增強相與基體材料間的界面數(shù)量增加，使界面自由能增加，引起尺寸效應(yīng)與界面效應(yīng)[39]，提高了納米材料的強度與其他性能。特殊的效應(yīng)增強了納米材料的研究價值，同時其獨特的強化機理也引起了學(xué)者們的廣泛研究。

在納米復(fù)合材料中加入細化的納米級增強相使晶界數(shù)量增加，阻礙位錯運動，細化基體晶粒，使材料強度、硬度顯著提高。屈服強度與晶粒尺寸之間的關(guān)系滿足Hall?Petch方程[40]。

采用粉末冶金法制備納米復(fù)合材料，將增強顆粒長時間球磨至納米尺度后同基體材料進行燒結(jié)，對其強化機制進行研究。結(jié)果表明，由于增強相尺寸細小，導(dǎo)致尺寸效應(yīng)與界面效應(yīng)的產(chǎn)生，引起納米細晶強化和彌散強化，提高了材料性能。

Yang等[41]采用機械合金化和放電等離子燒結(jié)法制備了增強相為Al2O3納米級顆粒、基體為Al0.4FeCrCoNi1.2Ti0.3高熵合金的復(fù)合材料，并研究了Al2O3質(zhì)量分數(shù)為12%的復(fù)合材料的顯微組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。觀察到材料燒結(jié)后的物相主要有FCC相、BCC相和Al2O3相，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)，HEACs中有許多孿晶結(jié)構(gòu)存在。性能試驗結(jié)果表明，在Al2O3質(zhì)量分數(shù)為12%的復(fù)合材料中，納米級Al2O3顆粒不僅有效強化基體而且誘發(fā)變形孿晶，所以其斷裂強度、塑性應(yīng)變和維氏硬度分別達到（2 250±10）MPa、（20.0±0.50）%和（743±12）HV，綜合性能顯著提高。Szklarz等[23]以CoCrFeMnNi高熵合金為基體，加入直徑為20～50 nm的球形SiC納米顆粒為增強相，采用機械合金化后熱等靜壓燒結(jié)的方法制備新型高熵合金基納米復(fù)合材料。試樣在1 000 ℃下反應(yīng)15 min后，基體中的晶體結(jié)構(gòu)為FCC相固溶體、微量的M23C6/M7C3（M為Cr、Fe、Co）和σ相，SiC納米顆粒在基體的晶界上均勻分布。在添加5%（體積分數(shù)）SiC納米顆粒后，CoCrFeMnNi基體室溫下屈服強度由1 180 MPa提高到1 480 MPa。

除了直接外加細化至納米級的增強相以外，也有一些學(xué)者采用不同的制備方法使第二相納米顆粒在基體中析出，對比上一種制備方法，強化機制中增加了納米析出強化。Wang等[42]采用粉末冶金法在Ni1.5CoFeCu0.8Al0.2V0.5高熵合金基體上原位合成了不同體積分數(shù)（5%、10%、15%）的VC增強顆粒，顆粒的分布情況如圖2中SEM組織形貌圖所示，結(jié)果表明，VC的體積分數(shù)為10%時，復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，性能的提高是因為原位合成的VC納米顆粒分布均勻，引起了晶界強化和彌散強化。付志強[33]以CoNiFeAl0.4Ti0.6高熵合金作為基體，將TiC顆粒分別用粉末冶金法和原位合成法制備成納米復(fù)合材料，力學(xué)性能試驗結(jié)果表明，粉末冶金法制備的試樣壓縮強度比CoNiFeAl0.4Ti0.6基體提高了8.7%，維氏硬度提高了4.7%，而TiC原位生成的試樣壓縮強度提高了11.4%，維氏硬度提高了9.1%，由此可以看出，原位生成法制備的材料性能更好。分析2種不同方法制備的材料的強化機制可知，導(dǎo)致上述不同性能的原因是原位合成TiC的試樣除了具有與粉末冶金法制備的試樣相同的晶界強化和彌散強化以外，還增加了析出強化。

圖1 HEAC的TEM圖像和SAED圖像[41]

圖2 不同體積分數(shù)VC的Ni1.5CoFeCu0.8Al0.2V0.5復(fù)合材料在1 000倍和10 000倍放大率下的SEM?BSE圖像[42]

2.2 第二相協(xié)同強化

從目前已報道的文獻研究來看，在高熵合金中作為增強相的材料主要有3種：高強度、高硬度的陶瓷顆粒，如TiC、TiN、TiB2、SiC、NbC、TaC、ZrO2和Al2O3等；耐磨性、耐腐蝕性好的碳化物顆粒，如WC等；在極少數(shù)研究中將金屬單質(zhì)作為增強相[43]，比如W、Pb等。選擇不同的增強相會給材料性能帶來不同的影響，其次還應(yīng)考慮其與基體之間的潤濕性和界面結(jié)合情況（控制有害界面反應(yīng)）等[44]，使增強顆粒與界面更好地結(jié)合、在基體上分布得更加均勻，才能更有效地提高材料性能。

復(fù)合材料中的增強第二相能夠有效阻礙位錯運動，位錯受阻后形成位錯環(huán)，產(chǎn)生強化效果。此機制引起的強化效應(yīng)由式（2）表示[45]。

顯著的強化效果與高熵合金基體的固溶強化和遲滯擴散效應(yīng)相協(xié)同，產(chǎn)生第二相協(xié)同強化，有力提高了高熵合金的綜合力學(xué)性能。董世知等[46]利用氬弧熔覆技術(shù)制備了WC/Al2O3?FeAlCoCrCuTi0.4高熵基復(fù)合材料涂層，通過各種測試方法探究了WC和Al2O3增強顆粒的添加對FeAlCoCrCuTi0.4高熵合金涂層顯微組織和性能的影響。結(jié)果表明，WC和Al2O3的添加顯著降低了涂層稀釋率，是因為所添加的WC和Al2O3顆粒熔點高于FeAlCoCrCuTi0.4中各元素的平均熔點，顆粒吸收的熱量較大，導(dǎo)致傳送至基體的熱量相對減少。添加WC后，WC顆粒在高溫下分解為W和C原子，原子半徑間的差異引起晶格畸變，晶粒細化明顯，產(chǎn)生固溶強化，而未分解的WC均勻分布在涂層中，產(chǎn)生彌散強化，在兩種強化效應(yīng)的協(xié)同強化作用下，涂層硬度達到685.8HV，耐磨性比FeAlCoCrCuTi0.4高熵合金涂層提高了2倍。

Chen等[47]采用熱反應(yīng)工藝制備了體積分數(shù)30%的W/FeNiMnAlW高熵合金基復(fù)合材料，探討了近球形鎢顆粒的形成機理，如圖3所示。熱反應(yīng)結(jié)束后溫度迅速下降，在界面前沿形成了很大的過冷度，W顆粒開始形核，如圖3b所示。如圖3c所示，當(dāng)晶核尺寸達到臨界晶核半徑時，晶粒開始生長。由于W元素與其他幾種元素之間的熔點差異較大，因此在整個晶粒生長過程中，體積能量（周圍合金溶液對紅色箭頭標(biāo)記的W顆粒的壓力）占主導(dǎo)地位，因此晶粒在生長過程中主要以近球形方式生長，如圖3d所示，最終形成圖3e所示的近球形W顆粒。復(fù)合材料中W增強顆粒、B2相和FCC相的硬度分別為681.48、533.82、286.70HV。W/FeNiMnAlW復(fù)合材料的屈服強度0.2為1 241 Mpa，最大抗壓強度max為2 530 MPa，最大塑性應(yīng)變p大于15%。優(yōu)異的力學(xué)性能主要歸因于FCC相與B2相產(chǎn)生的固溶強化及W顆粒均勻分布產(chǎn)生的彌散強化。

圖3 近球形W顆粒的形成機理[47]

3 高熵基復(fù)合材料的摩擦性能

顆粒增強高熵合金基復(fù)合材料在作為耐磨零件材料和高溫結(jié)構(gòu)件材料方面有著巨大潛力，通過在高熵合金基體上添加陶瓷顆粒、碳化物顆粒等增強相并采用不同的方法制備材料，可以提高高熵合金的耐磨性。耐磨損性能的好壞通過摩擦磨損試驗測試中摩擦因數(shù)及磨損率的高低來綜合評價，通常來說，摩擦因數(shù)值越低，磨損率越小，材料的耐磨性越好。

3.1 室溫摩擦磨損性能

關(guān)于HEAMs的耐磨性能研究普遍集中在室溫條件下，目前公開報道的高熵合金基復(fù)合材料在室溫下的摩擦因數(shù)和磨損率如圖4所示?？梢钥闯?，大部分材料的摩擦因數(shù)主要集中在0.28～0.85之間，磨損率分布在0.3×10?6～68.9×10?6mm?3/N·m[48]。在摩擦磨損過程中，增強相的加入對高熵基復(fù)合材料起到了分散載荷、支撐摩擦力的作用，保護基體材料避免過度磨損，從而擁有比其他合金更為優(yōu)異的耐磨性能。

摩擦磨損的過程非常復(fù)雜，是機械和化學(xué)的共同作用，因此，根據(jù)磨損表面的不同特征將磨損機制概括為4種形式：磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。

Zhou等[49]采用放電等離子燒結(jié)工藝制備了(FeCoCrNi)1-x(WC)高熵合金基復(fù)合材料，對其耐摩擦磨損性能進行了研究分析。結(jié)果表明，在室溫溫度下，隨著WC含量的增加，(FeCoCrNi)1-x(WC)復(fù)合材料的硬度從603HV提高到768?HV，主要是因為富W和富Cr碳化物的存在導(dǎo)致了協(xié)同強化效應(yīng)。硬度的顯著提高使材料的耐磨性也得到改善，摩擦因數(shù)隨WC含量的增加先增大后減小，而磨損率隨WC含量的增加而增大。磨損機理從低WC含量復(fù)合材料的粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)楦遅C含量復(fù)合材料的磨粒磨損。

圖4 高熵合金基復(fù)合材料室溫下的摩擦因數(shù)和磨損率[48]

Cheng等[50]原位合成了TiC?TiB2增強顆粒，以CoCrCuFeNi高熵合金作為基體制備了復(fù)合涂層，并研究了添加CoCrCuFeNi(TiC,TiB2)（為摩爾比，0.1≤≤0.5）對涂層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)0.1≤≤0.2時，涂層材料由FCC相、BCC相及TiC組成，CoCrCuFeNi(TiC,TiB2)0.1涂層的硬度和彈性模量分別為4.19HV和234 GPa；當(dāng)0.3≤≤0.5時，在由FCC相和BCC相組成的基體中TiC和TiB2兩相的含量增加，力學(xué)性能得到進一步改善，CoCrCuFeNi(TiC,TiB2)0.5涂層的=9.14HV，= 261 GPa。在摩擦磨損試驗過程中，TiC?TiB2雙相增強顆粒共同起承重作用，由于增強相與基體硬度的差異使TiC?TiB2相周圍的HEA基體首先磨損，導(dǎo)致增強顆粒突出，減小摩擦副之間的接觸面積，摩擦因數(shù)下降。此外，涂層磨損形貌顯示，沒有脆性裂紋或大量碎屑形成，表明顆粒與基體具有良好的冶金結(jié)合。

3.2 高溫摩擦磨損性能

在高溫環(huán)境中，高熵基復(fù)合材料不僅要具有良好的耐高溫磨損性能，更需要有優(yōu)異的抗高溫氧化性能。在摩擦磨損過程中，由于溫度的升高加速了復(fù)合材料磨損表面的化學(xué)反應(yīng)及元素擴散[51]，使表面生成了一層氧化層，既起到保護作用，提高了抗氧化性能，又起到潤滑作用，進一步改善了材料的耐磨性能。

Guo等[11]采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了不同質(zhì)量分數(shù)的Cr3C2增強顆粒，以CoCrFeNiMn高熵合金作為基體合成了復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cr3C2增強相含量的增加，硬度和屈服強度隨之提高，斷裂韌性下降。使用球盤式高溫摩擦磨損試驗機進行試驗，探究了復(fù)合材料在室溫、200 ℃和800 ℃下的摩擦磨損性能及磨損機制。結(jié)果表明，摩擦因數(shù)隨Cr3C2增強顆粒含量的增加呈下降趨勢，磨損率隨溫度的升高而降低，主要原因是高溫下基體的軟化以及生成了具有潤滑作用的氧化層。CoCrFeNiMn高熵合金基復(fù)合材料在室溫至400 ℃時的磨損機制主要為磨粒磨損和粘著磨損，溫度超過400 ℃后磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p。

Liu等[30]以AISI1045鋼作為基體，使用激光熔覆工藝制備了TiC/AlCoCrFeNiTix復(fù)合材料涂層，TiC是原位合成的納米級增強顆粒。當(dāng)TiC增強顆粒的體積分數(shù)達到2.6%時，由于Ti元素易溶解在Al-Ni固溶相中，使晶粒細化，產(chǎn)生固溶強化，在彌散強化、細晶強化等強化效應(yīng)的共同作用下，熔覆TiC/AlCoCrFeNiTi涂層的材料力學(xué)性能最好，相較于AISI1045鋼，其平均顯微硬度提高到860.1HV。使用高溫摩擦磨損試驗機在25和600 ℃下測試了涂層的耐磨性能，并進行了表面磨損微觀形貌和成分分析，結(jié)果表明，在600 ℃下，涂層的磨損機制除粘著磨損外，還發(fā)生了氧化磨損，氧化產(chǎn)物為Al2O3、CoO、Cr2O3、Fe2O3、Fe3O4和NiO。計算室溫（25 ℃）和高溫（600 ℃）下不同Ti含量涂層的體積磨損率，如圖5所示，可以看出，TiC/AlCoCrFeNiTi1.0復(fù)合材料涂層具有最佳的耐磨性。

圖5 涂層在室溫和高溫下的體積磨損率[30]

4 結(jié)語

HEAMCs作為一種新型的金屬基復(fù)合材料，經(jīng)過多年的研究，從制備方法、增強相類型、基體材料體系到機理、性能等各方面的理論分析已經(jīng)被不斷地發(fā)展和完善，相較于傳統(tǒng)金屬材料，其應(yīng)用到的領(lǐng)域逐漸擴大，但是仍存在著一些問題有待解決。

1）目前高熵合金基復(fù)合材料中添加的增強相大多數(shù)為陶瓷顆粒、碳化物顆粒，很少有關(guān)于纖維或者其他種類材料作為增強相的研究，且復(fù)合材料中的高熵合金體系也僅十幾種，因此，需要進一步擴展增強相的類型及高熵合金體系的種類。

2）高熵基復(fù)合材料中增強相與基體的良好結(jié)合需要充分考慮兩者之間的潤濕性及界面反應(yīng)，界面反應(yīng)比較復(fù)雜且界面反應(yīng)過度反而會不利于提升材料性能。當(dāng)前如何有效控制界面反應(yīng)的相關(guān)理論還不夠充足，需要更多的研究來提出有效的控制方法。

3）強度和韌性是材料力學(xué)性能的兩個重要指標(biāo)，在高熵基復(fù)合材料中增強相產(chǎn)生的強化效應(yīng)使強度、硬度得到有力的提升，但是往往伴隨著材料韌性的下降。因此，只有使材料的強度和韌性達到平衡，才能更好地突破其應(yīng)用范圍。

4）摩擦磨損的過程非常復(fù)雜，嚴重的磨損會造成零件失效，影響使用。高熵基復(fù)合材料作為優(yōu)異的耐磨材料，其室溫及高溫摩擦磨損性能受到越來越多的關(guān)注，但是相關(guān)的磨損機制理論不夠完善?？梢酝ㄟ^更多測試手段對磨損表面進行更全面的分析探究，增強理論指導(dǎo)，從而避免工件失效。

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Research Progress on Forming and Tribological Properties of Particle Reinforced High Entropy Matrix Composites

WANG Ru-jiang1, YE Guo-chen2, XIE Hao-tian1, SHAN Cai-xia1, TANG Yue-yue2, XU Quan2, CHEN Zheng1

(1. College of Materials Science and Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2. Jiangsu Wilari New Material Technology Corporation, Jiangsu Xuzhou 221000, China)

High entropy alloy is a new concept of multiple alloy developed for the last decade or so, which has many advantages in physical, chemical and mechanical properties. In order to solve the limitations of high entropy alloy in the application of friction and wear and improve the comprehensive mechanical properties, composite materials with high entropy alloy as matrix and reinforced phase (HEAMCs) have become a hot topic in metal field. Based on this, this work summarizes the preparation and forming methods of different HEAMCs according to the research status, and analyzes the advantages and disadvantages of the preparation methods of powder metallurgy, smelting and laser cladding in detail. In this study, the strengthening mechanisms of HEAMCs in nanocrystalline strengthening and the second phase co-strengthening are summarized. Then, the studies on the friction and wear properties of HEAMCs at room temperature and high temperature are summarized, respectively. Finally, the current challenges and future development of HEAMCs are discussed and prospected.

high entropy matrix composites; preparation method; strengthening mechanism; tribological performance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.12.012

TB331；TG14

A

1674-6457(2022)12-0109-10

2021?11?11

國家重點研發(fā)計劃（2018YFB2001204）

王汝江（1998—），女，碩士生，主要研究方向為高熵合金基體復(fù)合材料。

陳正（1980—），男，博士，教授，主要研究方向為納米晶、非晶等亞穩(wěn)功能材料制備及穩(wěn)定性，金屬塊體及表面快速凝固理論與技術(shù)，特種鑄造理論及工藝。