摘要
高熵合金(HEA)因具有多主元及可调控的成分比，使其具有高强韧、高稳定性，在摩擦学领域表现出了巨大潜能。尤其以CoCrFeNiV为代表的过渡金属合金，因相结构为面心立方(FCC)和四方结构的sigma(σ)相金属间化合物，具有优异的耐磨性和高温稳定性。但单质V粉价格较贵且形成化合物后严重降低材料的延展性。同时，通过传统铸造熔炼法制备，容易产生严重的元素偏析。针对上述问题，本论文通过引入C元素降低V含量形成间隙碳化物的思路来改善其显微组织和力学性能，同时降低材料成本。采用粉末冶金法制备1.5at.%碳掺杂的Co21Cr21Fe21Ni21V14.5C1.5HEA，系统研究了碳掺杂对微观组织和力学性能的影响；考察了C掺杂对合金在大气、真空和高温环境下摩擦行为的影响，对合金和摩擦配副的磨斑形貌进行了深入分析；探究了该合金在苛刻环境下摩擦磨损过程中的磨损机理和氧化釉层的演变规律，研究结果如下： (1)高熵合金的成分设计、制备与相结构研究。采用粉末冶金技术制备了等原子比CoCrFeNiVHEA(C0)和非等原子比Co21Cr21Fe21Ni21V14.5C1.5HEA，根据热力学计算设置掺碳合金的烧结温度为1000(C10)和1200℃(C12)。其相结构除FCC和σ相，还形成了M7C3和M23C6间隙碳化物并在1200℃时原位生成VC相，且碳化物的平均尺寸约为350nm，部分位于晶界处。由于多主元合金具有较低的层错能，在层错能较低的FCC相中形成了孪晶。 (2)C掺杂对高熵合金力学性能的影响。通过晶界、孪晶界强化和碳化物的钉扎作用改善合金的抗变形能力，使其具备优良的加工硬化能力。一定量的V使碳化物呈现不规则形状，提高硬度和耐磨性。C10和C12高熵合金的抗压强度和应变率分别为808±17MPa、7.27±0.28%和969±21MPa、8.43±0.36%。抗压强度均高于C0合金，但压缩塑性略低(727±15MPa、8.89±0.38%)。 (3)空气、真空环境下C掺杂对高熵合金摩擦学性能的影响。由于碳掺杂后合金硬度和屈服强度均增大，使得位错的激活和增殖变得困难，因此难以发生剥层磨损，但M7C3碳化物的剥落的倾向性随摩擦过程中载荷的增加而增加，从而引发三体磨损。因此C12合金主要磨损机理为磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损。相较空气环境，由于真空度的限制导致摩擦中因摩擦化学反应产生的润滑性氧化物较少，使得粘着磨损严重。 (4)高温环境下C掺杂对高熵合金摩擦学性能的影响。500~800℃时，在VC、M23C6和M7C3碳化物以及σ相的共同作用下，起到抗磨润滑的作用；其中，在600~800℃时，随着温度的升高合金元素的扩散速率增加，摩擦化学反应生成Cr2O3、NiCr2O4、NiO等具有高温稳定性和抗氧化性的化合物，这些氧化物形成了具有高温自润滑性的薄的致密氧化釉层，导致C12合金较C0合金抗磨减摩性能更优异。而C10合金由于较低的高温抗软化硬度以及大量针须状脆性氧化物V2O5在表面生成，其磨损机理主要是磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和氧化磨损。
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