近日，機(jī)械與電子工程學(xué)院宋月鵬教授團(tuán)隊(duì)在《Journal of Alloys and Compounds》在線發(fā)表了題為“In-situ synthesis of multiphase carbides/high-entropy alloy gradient composites by high-gravity combustion route”的研究論文。在讀博士生吳昆為該論文第一作者，宋月鵬教授為該論文通訊作者。

金屬陶瓷/高熵合金梯度復(fù)合材料具有極強(qiáng)的抗沖擊性能和優(yōu)良的強(qiáng)韌性能，已成功應(yīng)用于航空航天、裝甲防護(hù)、承受沖擊磨損農(nóng)機(jī)關(guān)鍵零件等各領(lǐng)域，成為國(guó)內(nèi)外備受矚目的一種新型功能材料。但是由于金屬陶瓷增強(qiáng)相與高熵合金的密度差異，傳統(tǒng)的熔融法制備這種梯度復(fù)合材料非常困難且質(zhì)量極不穩(wěn)定。超重力燃燒合成技術(shù)具有制備材料快速高效（大部分鋁熱體系反應(yīng)速度超過20 m/s，絕熱溫度一般在2000 K以上，重力系數(shù)在1000以上）、組織性能分布可控且無界面分層、性能優(yōu)良且成本低廉等特點(diǎn)。宋月鵬教授團(tuán)隊(duì)在高放熱鋁熱體系中添加金屬陶瓷及高熵合金組分，成功利用超重力燃燒合成技術(shù)，制備出性能優(yōu)良的金屬陶瓷/高熵合金梯度復(fù)合材料并進(jìn)行了組織性能表征，并建立了復(fù)合材料成型機(jī)制模型，為該材料工程化應(yīng)用提供了成功案例。

本研究以復(fù)合鋁熱劑（Co3O4、Cr2O3、Fe2O3、NiO和Al粉）和WC粉末為原料，鋁熱反應(yīng)后會(huì)形成了Al/Cr/Co/Fe/Ni為組分的高熵合金，同時(shí)產(chǎn)生超高溫場(chǎng)導(dǎo)致鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物（陶瓷相、高熵合金相）均以熔體形式存在，超高溫還使得高熵合金與WC增強(qiáng)顆粒發(fā)生反應(yīng)，生成了M3W3C（η phase，M= Co, Cr, Fe, Ni）、W2C、Cr23C6多相金屬陶瓷碳化物。在超重力場(chǎng)的作用下，包括金屬陶瓷碳化物相在內(nèi)的多種彌散相與高熵合金熔體由于密度不同，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)分離，形成了獨(dú)特的梯度分布結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)熔融法根本無法達(dá)到的組織結(jié)構(gòu)。這種新穎獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能沿超重力方向呈現(xiàn)平緩梯度變化：維氏硬度逐漸增大（由419 HV1增至893 HV1），耐磨性能逐漸增強(qiáng)（平均摩擦系數(shù)由0.76降至0.27），斷裂韌性先減弱再增強(qiáng)（實(shí)測(cè)最大值為8.9 MPa·m1/2），復(fù)合材料整體表現(xiàn)出良好的抗壓強(qiáng)度（1.84 GPa）。

此外，本研究分析了超重力場(chǎng)中多相運(yùn)動(dòng)分離特征：彌散相Al2O3顆粒、氣泡在金屬熔體中呈上浮運(yùn)動(dòng)；M3W3C顆粒呈下沉運(yùn)動(dòng)，沿超重力方向體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。通過建立彌散相運(yùn)動(dòng)位移與熔體保持時(shí)間的關(guān)系，揭示了梯度性能形成機(jī)理，即超重力系數(shù)越大、彌散相粒徑越大、HEA熔體保持時(shí)間越長(zhǎng)，彌散相運(yùn)動(dòng)位移越大。最后，本研究探尋了該梯度復(fù)合材料在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用渠道，即采用該梯度材料制備的農(nóng)用割刀，具有良好的自磨銳性能，可有效延長(zhǎng)切割作業(yè)的服役壽命。

該研究得到了山東省自然科學(xué)基金、山東省果品產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)資金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.178892

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波