0. 引言

高熵合金（HEA）是由五種及以上等量金屬元素（常添加硅、碳、硼等）構(gòu)成的多主元合金[1-4]。HEA憑借其獨特的高熵效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)及多組元協(xié)同效應(yīng)（“雞尾酒效應(yīng)”），在極端高溫環(huán)境下展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、耐磨性和抗疲勞性，應(yīng)用于航空發(fā)動機、燃?xì)廨啓C與核能裝備等熱端部件的制造。然而，隨著動力系統(tǒng)及新一代核反應(yīng)堆對材料服役溫度要求的不斷提高，HEA在高溫（通常指400℃以上）下的摩擦磨損問題已成為高熵合金進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，其高溫摩擦磨損性能直接影響設(shè)備運行的可靠性與效率[5-6]。目前多通過成分設(shè)計與工藝優(yōu)化來改善HEA高溫摩擦磨損性能[7-14]。為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者綜述了HEA高溫摩擦磨損性能的研究進(jìn)展，總結(jié)了成分設(shè)計、制備工藝參數(shù)和特定服役環(huán)境3個方面對高溫摩擦磨損性能的影響，闡述了現(xiàn)有研究的不足并展望了未來的研究方向。

1. 成分設(shè)計對高溫摩擦磨損性能的影響

HEA的基礎(chǔ)成分通常包含鐵、鈷、鉻、鎳、錳、鋁、鈦等金屬元素，并可添加硅、碳、硼等非金屬元素進(jìn)行改性，物相包括體心立方（BCC）相、面心立方（FCC）相或兩者的混合相。合理選擇組分元素、精確調(diào)控其配比、添加特定元素進(jìn)行合金化，是調(diào)控HEA物相組成進(jìn)而優(yōu)化性能的關(guān)鍵。

1.1 鋁元素

在HEA組成元素中，鋁的氧化物吉布斯自由能最低，因此在高溫下優(yōu)先氧化形成連續(xù)致密的α-Al2O3保護(hù)層[15]。該氧化層的形成可以顯著提升HEA的高溫摩擦磨損性能。胡明川等[16]采用真空電弧熔煉制備了Al15+xCr20Nb15Ti40−xZr10高熵合金，發(fā)現(xiàn)隨著鋁含量增加，合金組織由亞共晶向共晶轉(zhuǎn)變，共晶組織具有更高的硬度，且在高溫下形成的Al2O3氧化層更厚，表現(xiàn)出更優(yōu)異的高溫摩擦磨損性能。VO等[17]對比分析了FeCoCrNiAl0.8Ni和FeCoCrNiAl1.0Ni高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)和900℃下的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)：FeCoCrNiAl1.0Ni合金表面形成了由混合氧化物層和超細(xì)晶顆粒層組成的復(fù)合氧化層結(jié)構(gòu)，體積磨損率（75.78×10−5mm3·N−1·m−1）顯著低于FeCoCrNiAl0.8Ni合金（99.44×10−5mm3·N−1·m−1）；提高鋁含量有助于形成更穩(wěn)定的復(fù)合氧化層結(jié)構(gòu)，從而改善HEA的高溫摩擦磨損性能。

1.2 鉬元素和錳元素

向FeCoCrNi系高熵合金中添加鉬或錳等原子半徑較大的元素，可誘發(fā)顯著的晶格畸變效應(yīng)并促進(jìn)σ硬質(zhì)相析出，從而提升HEA的高溫摩擦磨損性能[18-19]。苗軍偉[20]研究發(fā)現(xiàn)，鉬元素的固溶強化效應(yīng)使CoCrNiMo0.5合金在800℃下的硬度達(dá)到365HV，同時鉬在600~800℃溫度范圍內(nèi)開始氧化形成致密氧化膜，使CoCrNiMo0.5合金表現(xiàn)出較小的體積磨損率（1.14×10−6mm3·N−1·m−1）。謝詠馨[21]采用真空電弧熔煉制備了FeCoCrNiMox（x為物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，取0，0.1，0.2，0.3，0.5，1.0，1.5）高熵合金，發(fā)現(xiàn)提高鉬含量有效抑制了合金的高溫軟化現(xiàn)象，800℃下FeCoCrNiMo0.5和FeCoCrNiMo1.5合金的硬度分別為163，603HV，磨損體積損失分別為0.052，0.013mm3。大原子半徑元素還具有調(diào)控難熔高熵合金體系內(nèi)相結(jié)構(gòu)的作用。范軍[22]制備了添加鉬的VAlTiCrMo高熵合金，發(fā)現(xiàn)未添加鉬時合金呈多相結(jié)構(gòu)，添加鉬后合金形成單一的BCC固溶體相，700℃下的摩擦因數(shù)顯著降至0.21，表現(xiàn)出良好的高溫摩擦磨損性能。謝曉明等[23]研究發(fā)現(xiàn)，添加錳后FeCoCrNi系高熵合金由FCC單相組織轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC+BCC雙相組織，當(dāng)錳原子分?jǐn)?shù)為1.0%時，合金在600℃下的體積磨損率僅為2.71×10−4mm3·N−1·m−1，相比未添加錳時降低了33.9%。綜上，在HEA體系中摻雜鉬或錳元素，可有效提升合金的高溫摩擦磨損性能。未來的研究可結(jié)合第一性原理計算等方法，精確確定鉬、錳元素在特定HEA體系中的固溶度極限，為進(jìn)一步優(yōu)化組分配比提供理論依據(jù)。

釩 鈮等難熔金屬元素

釩、鈮等元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，添加至HEA中有助于抑制高溫軟化現(xiàn)象。孫宇航[24]研究發(fā)現(xiàn)，將FeCoCrNiMn高熵合金中的錳替換為釩后，合金在800℃下的耐磨性顯著提升，體積磨損率僅為0.289×10−4mm3·N−1·m−1，減小了95%。劉昊等[25]采用激光熔覆技術(shù)制備了CoCrFeNiNbx高熵合金涂層，發(fā)現(xiàn)隨著鈮含量增加，組織經(jīng)歷了從FCC固溶體向亞共晶、共晶、過共晶的轉(zhuǎn)變，當(dāng)x為0.75時，在固溶強化作用下，涂層800℃下的硬度最高（574HV），并表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦磨損性能。

1.4 第二相

除基體組成元素外，第二相對HEA的高溫摩擦磨損性能也具有顯著影響，向HEA中添加硅元素，可以形成硅化物第二相，顯著提升高溫耐磨性能。PEI等[26]制備了TiZrV0.5Nb0.5Six高熵合金，發(fā)現(xiàn)：添加硅后，合金組織由單一BCC固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC固溶體與硅化物第二相共存；該硅化物在溫度不高于400℃時表現(xiàn)出優(yōu)異的抗軟化能力和高硬度（合金硬度最高達(dá)453HV），能有效抑制黏著磨損，同時在溫度800℃下形成致密氧化膜，可提升高溫防護(hù)能力。郭志明等[27]研究發(fā)現(xiàn)，添加硅的NbTaWMo高熵合金在800℃下的磨損機制為磨粒磨損與氧化磨損的復(fù)合機制，未添加硅時則主要表現(xiàn)為氧化磨損，添加硅后原位生成的硅化物有效提高了合金的耐磨性。

硬質(zhì)陶瓷相以高硬度、高熔點、良好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性著稱，向HEA中添加硬質(zhì)陶瓷相可以有效改善高溫耐磨性能。SUN等[28]采用激光熔覆技術(shù)制備TiC增強FeCoCrNiMn高熵合金涂層，發(fā)現(xiàn)：高溫磨損時，硬質(zhì)TiC顆粒發(fā)生破碎形成小尺寸顆粒，與摩擦過程中原位生成的Cr2O3/Mn2O3氧化物形成復(fù)合保護(hù)膜，其抗剝落性顯著優(yōu)于無TiC涂層中的純氧化物膜；隨著TiC含量增加，涂層的體積磨損率減小，耐磨性的顯著提升歸因于復(fù)合保護(hù)膜結(jié)合了TiC相的優(yōu)異承載能力與氧化物的潤滑作用，實現(xiàn)了強韌協(xié)同效應(yīng)。ZHANG等[29]制備了WC增強FeCoCrNiMoSi高熵合金涂層，發(fā)現(xiàn)：WC的加入促進(jìn)了M6C和M2C等碳化物第二相的形成，高硬度鎢元素主要富集于M2C相中；當(dāng)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，涂層中形成的M2C相不僅數(shù)量較多，且晶粒細(xì)小，這使得涂層表現(xiàn)出最優(yōu)的600℃高溫摩擦磨損性能。XIN等[30]向FeCoCrNi1.5Al0.2Ti0.5高熵合金中添加碳元素（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0~2%），發(fā)現(xiàn)：當(dāng)摩擦溫度不超過600℃時，合金中碳與鈦原位反應(yīng)生成的TiC相通過抑制位錯移動和細(xì)化晶粒提高顯微硬度，顯著減小了體積磨損率，隨著碳含量增加，體積磨損率也減?。划?dāng)摩擦溫度升至600~800℃時，氧化物的潤滑作用主導(dǎo)磨損行為，此時低碳含量HEA因更優(yōu)的氧化膜形成能力而表現(xiàn)出更好的摩擦磨損性能。WANG等[31]制備了不同Y2O3含量的WMoTaNb高熵合金涂層，發(fā)現(xiàn)Y2O3的存在提高了成核率，從而顯著提升顯微硬度，當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，涂層硬度最高，為1274HV，600℃的摩擦因數(shù)降至0.6。未添加Y2O3的WMoTaNb高熵合金涂層摩擦因數(shù)在0.8~1.3[32]，高于上述質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% Y2O3的WMoTaNb高熵合金涂層，進(jìn)一步驗證了硬質(zhì)陶瓷相對改善高溫磨損性能的作用。目前的研究多聚焦于第二相本征特性對HEA的改良作用，未來需深入探索第二相與HEA基體間的協(xié)同強化機制（如界面調(diào)控、載荷傳遞等）。

2. 制備工藝參數(shù)對高溫摩擦磨損性能的影響

制備工藝直接決定了HEA的微觀結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、晶界特性等關(guān)鍵微觀特征[33]，從而決定了HEA的使役性能。其中，燒結(jié)工藝是制備高性能HEA塊體材料的最優(yōu)方案之一，其能夠通過固態(tài)擴(kuò)散+快速致密化攻克成分均勻性與相控制難題；激光熔覆是實現(xiàn)HEA表面功能化、制備HEA涂層的首選，其具有快速熔凝特點，能夠獲得超細(xì)晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高涂層的高溫耐磨性。

2.1 燒結(jié)工藝

燒結(jié)是塊體HEA的常用制備方法[34]。在燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度、保溫時間、升溫速率是決定HEA結(jié)構(gòu)和性能的核心參數(shù)。TOROGHINEJAD等[35]采用放電等離子燒結(jié)在不同燒結(jié)溫度（800，850，900℃）下制備了塊體AlCrCuMnNi高熵合金，研究發(fā)現(xiàn)，900℃下燒結(jié)的合金中析出Al2Cu3和Al3Ni5兩種硬質(zhì)相，在低孔隙率（<5%）與硬質(zhì)相的協(xié)同作用下，該合金在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨損性能。CAO等[36]研究發(fā)現(xiàn)：保溫時間的設(shè)置需要兼顧元素擴(kuò)散與晶粒粗化的矛盾；當(dāng)保溫時間過短時，HEA內(nèi)部孔隙未消除，成分不均；當(dāng)保溫時間過長時，HEA晶粒顯著粗化，強度下降，高溫耐磨性下降。LEE等[37]研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)CoCrFeMnNi高熵合金燒結(jié)過程中的升溫速率，可以控制微觀結(jié)構(gòu)演變，進(jìn)而改善致密性和高溫耐磨性，與單級升溫速率（5°C·min-1）燒結(jié)的試樣相比，雙步升溫速率（2，5°C·min-1）燒結(jié)的試樣中元素分布更均勻，形成了σ相等二次相，表現(xiàn)出更低的孔隙率和更好的高溫耐磨性。盡管燒結(jié)工藝在塊體HEA高溫摩擦磨損性能研究中取得進(jìn)展，但真空熔煉、粉末冶金等其他重要塊體制備工藝對高溫摩擦磨損性能的影響機制仍需深入探索。

2.2 激光熔覆工藝

激光熔覆憑借其優(yōu)異的粉末熔融效率和涂層-基體冶金結(jié)合特性，成為HEA涂層制備中使用最廣泛的技術(shù)[38-40]。其激光功率、熔覆速度等工藝參數(shù)的調(diào)控是改善HEA高溫耐磨性的關(guān)鍵。

LI等[41]通過激光熔覆制備了FeCoCrNiMo高熵合金涂層，研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率提高，涂層在800℃下的體積磨損率先降低后增加，當(dāng)功率為1600W時，涂層磨損率最小，磨損時產(chǎn)生的剝落坑、淺溝槽較少，這是因為此功率下涂層組織均勻，而且功率也未過高，避免了基體稀釋率提高對摩擦性能的不利影響。徐進(jìn)等[42]采用超高速激光熔覆制備了CoCrFeNiMn高熵合金涂層，研究發(fā)現(xiàn)，熔覆速度增加所帶來的細(xì)小晶粒組織和高密度晶界有效增強了CoCrFeNiMn高熵合金涂層的抗變形能力，從而有效提升了涂層的耐磨性能。ZHAO等[43]采用超聲振動輔助激光熔覆制備了WTaNbMo高熵合金涂層，借助超聲振動輔助顯著減少了涂層中的未熔融粉末和裂紋數(shù)量，同時增強了HEA枝晶與其他相之間的結(jié)合力，這進(jìn)一步提高了涂層的硬度，防止高溫下涂層材料從磨損表面脫離，促進(jìn)磨損表面形成致密的MoO3、Cr2O3和WO3氧化物層，從而改善其高溫摩擦磨損性能。

3. 溫度對高溫摩擦磨損性能的影響

HEA的氧化程度、硬度和強度會隨著溫度升高而發(fā)生變化。高溫下HEA表面氧化形成的致密硬質(zhì)氧化層能有效隔絕摩擦副接觸、減少黏著，并可能產(chǎn)生潤滑作用，從而顯著改善摩擦磨損性能，而非致密且易破碎的氧化層則可能加劇磨損[44-46]。GENG等[47]研究發(fā)現(xiàn)：室溫至400℃下，在空氣中FeCoCrNi高熵合金表面生成彌散分布的氧化物，在對磨件擠壓下，這些氧化物發(fā)生碎裂，導(dǎo)致空氣中的磨損率高于真空環(huán)境；在600，800℃空氣中，合金表面形成致密氧化物保護(hù)層，該致密氧化層可產(chǎn)生自潤滑效應(yīng)，從而提升其耐磨性。NGUYEN等[48]研究了CrFeNiAl0.4Ti0.2高熵合金在溫度600~950℃下的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)：800℃下磨損率最低（1.61×10−5mm3·N−1·m−1），這歸因于此溫度下表面形成的致密氧化層（8~10μm）與亞表層摩擦層（<10μm）的協(xié)同保護(hù)作用；隨著溫度進(jìn)一步升高至950℃，合金的熱軟化抗力顯著降低，表面的氧化膜發(fā)生碎裂，導(dǎo)致摩擦磨損性能急劇惡化。CHEN等[49]在45鋼表面激光熔覆制備WMoTaNb難熔高熵合金涂層，發(fā)現(xiàn)涂層的摩擦因數(shù)隨著溫度升高而顯著增大。研究[43，48]發(fā)現(xiàn)：HEA在室溫下的磨損機制以磨粒磨損和疲勞磨損為主；隨著溫度升高至能在HEA表面形成致密氧化層時，主要磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p，此時致密氧化膜可顯著改善其摩擦磨損性能。對于FeCoCrNi高熵合金，這一轉(zhuǎn)變通常發(fā)生在400~600℃區(qū)間[49-50]，在該溫度范圍內(nèi)，致密氧化膜對合金具有保護(hù)作用，摻雜的硬質(zhì)相可通過第二相強化機制提升HEA的高溫摩擦磨損性能；當(dāng)溫度達(dá)到900℃以上時，F(xiàn)eCoCrNi高熵合金可能發(fā)生顯著軟化和相分解，導(dǎo)致摩擦磨損性能急劇下降[51]。

4. 結(jié)束語

通過成分設(shè)計優(yōu)化HEA高溫摩擦磨損性能的核心原理包括：利用鋁等親氧性元素促進(jìn)表面形成保護(hù)性氧化膜；添加鉬、錳等大原子半徑元素增強晶格畸變效應(yīng)；引入釩、鈮等難熔元素形成高硬度、高熱穩(wěn)定性第二相（如碳化物、硼化物、硅化物），實現(xiàn)第二相彌散強化；或直接引入第二相通過原位形成高溫潤滑層、提高成核率等機理提高高溫耐磨性。塊體HEA及HEA涂層的制備工藝選擇直接影響其物相結(jié)構(gòu)、顯微組織和高溫摩擦磨損性能，優(yōu)化工藝參數(shù)有助于提升HEA的高溫耐磨性，通過系統(tǒng)性的試驗對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要。目前，高熵合金高溫摩擦磨損性能的相關(guān)研究仍存在以下關(guān)鍵問題：高溫動態(tài)磨損機制（如氧化膜演化、相變行為）尚未明晰；缺乏“組分-工藝-性能”的定量關(guān)聯(lián)模型；超高溫（>900℃）及變工況（熱循環(huán)、沖擊載荷）適應(yīng)性研究薄弱；涂層/基體界面元素互擴(kuò)散（如鐵遷移）導(dǎo)致高溫性能劣化的問題尚未解決?；诖耍磥硌芯繎?yīng)聚焦于以下方面。

（1）機制解析：結(jié)合原位表征（高溫摩擦儀、掃描顯微鏡）與計算模擬（分子動力學(xué)），揭示氧化膜/第二相的高溫協(xié)同防護(hù)機制。

（2）材料創(chuàng)新：引入稀土元素（釔、鑭）細(xì)化晶粒，開發(fā)氧化物彌散強化復(fù)合材料（如Y2O3/HEA）。

（3）工藝升級：進(jìn)一步發(fā)展超聲輔助激光熔覆等高效技術(shù)，抑制基體元素擴(kuò)散現(xiàn)象。

（4）體系設(shè)計：面向航空航天極端工況，構(gòu)建耐變溫沖擊、抗高載荷的專用HEA涂層體系。

文章來源——材料與測試網(wǎng)