随着现代社会对可持续发展的需求日益迫切，更高效更清洁的运输系统与工业活动成为发展制胜的关键。目前与摩擦相关的能源损耗和器件损坏占世界能源使用的23%，并且全球每年为克服摩擦的花费大约为2. 5万亿欧元。在最常用的金属材料基础上，制造耐磨损的金属就成为重中之重。传统摩擦理论认为，材料强度越高，摩擦时的接触面积越小，磨损率也就越低。然而，金属的塑性变形能力同样影响磨损率。这就要求金属需要同时具备高强度和在摩擦过程中的均匀塑性变形能力，来避免产生裂纹或脆性断裂，以获得较好的耐磨性能。但是，合金的超高强度和摩擦过程中的均匀塑性变形能力通常难以兼得。针对这一问题，德国马普钢铁所研究团队提出了一种新的耐磨合金设计理念：通过合金在摩擦过程中与环境中氧气的反应，在合金表面原位生成一层高强度且具备均匀塑性变形能力的非晶-纳米晶复合结构氧化物，从而大幅提高了合金的耐磨性能。研究团队将这一理念命名为“反应减磨” 。为了实现这一策略，研究团队借助热力学理论指导，引入高熵合金的理念，设计了(TiNbZr)75Ag25(at.%) 合金。该合金在空气中进行摩擦试验时，在合金表面能原位生成一层非晶-纳米晶复合结构氧化物，其中非晶氧化物包裹~10nm大小的Ag纳米晶。这一纳米复合结构氧化物具有高强度（屈服强度2.4GPa）和较好的的均匀塑性变形能力（在纳米柱压缩试验中能均匀变形至20%应变），因此为(TiNbZr)75Ag25合金带来了极低的磨损率。(TiNbZr)75Ag25比TiNbZr合金在相同摩擦条件下磨损率降低2个数量级，比(TiNbZr)75Ag25合金在Ar氛围内（较难发生“反应减磨”）的磨损率降低1个数量级。相关成果以“Reactive wear protection through strong and deformable oxide nanocomposite surfaces”为题发表在国际著名期刊Nature Communications。刘畅博士为论文第一作者兼通讯作者，其他通讯作者为吴戈博士和Dierk Raabe院士。其他作者还包括李志明教授，祿文君助理教授，鲍岩博士，夏文真教授，吴小香教授，赵欢博士，BaptisteGault教授，刘成龙博士，Michael Herbig博士，Alfons Fischer教授，Gerhard Dehm教授。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25778-y
本研究提出一种由热力学指导的合金设计理念，使合金表面在摩擦时原位生成非晶-纳米晶氧化物，其中纳米晶为固溶体，而不是晶体氧化物颗粒。这一结构为非晶-纳米晶氧化物带来了高强度和较好的均匀塑性变形能力，从而有效降低磨损率。研究团队将这一新型耐磨合金设计理念命名为“反应减磨” 。研究团队通过高通量磁控溅射来高效寻找最优化 “反应减磨” (TiNbZr)75Ag25(at.%)高熵合金。当(TiNbZr)75Ag25高熵合金在空气中进行摩擦试验时，氧被引入合金表面，带来新的具有负混合晗的原子配位，提高了摩擦表面的非晶形成能力。并且，Ag和Nb的混合晗为正(+16kJ/mol)，这为Ag纳米晶从非晶基体内析出提供了热力学驱动力。因此，一层~400nm厚的非晶-纳米晶复合结构氧化物，其中非晶氧化物包裹~10nm大小的Ag纳米晶，在摩擦时原位生成于合金表面。
图1TiNbZr-Ag合金的设计与制备。a, 高通量磁控溅射制备TiNbZr-Ag系列合金示意图；b-c, 截面透射电镜（TEM）图展示TiNbZr与(TiNbZr)75Ag25合金结构；d,原子探针层析技术（APT）三维（3D）重构图，显示(TiNbZr)75Ag25合金成分分布；e, 与图（d）中红色箭头对应的一维（1D）成分图，定量地展示了晶粒与晶界的成分。
图2TiNbZr, (TiNbZr)90Ag10，和(TiNbZr)75Ag25合金的摩擦性能。a, 合金的摩擦系数；b, 划痕的二维（2D）横截面轮廓图；c1, TiNbZr合金划痕的3D轮廓图；c2-c4, TEM图展示TiNbZr合金在摩擦试验后表面发生晶粒细化；d1,(TiNbZr)75Ag25合金划痕的3D轮廓图；d2-d4, (TiNbZr)75Ag25合金进行摩擦试验后的结构。d2,TEM图展示合金划痕表面有~400nm厚的非晶-纳米晶复合物；d3, ABF-STEM图显示非晶-纳米晶复合物的结构；d4, 原子级ABF-STEM图，展示面心立方（fcc）结构的纳米晶被包裹在非晶基体内。
图3 (TiNbZr)75Ag25合金摩擦原位生成非晶-纳米晶复合结构氧化物的机制分析。a,TEM图展示从(TiNbZr)75Ag25合金划痕表面制备的针尖状样品，用于TEM-APT关联分析，显示了材料的非晶-纳米晶复合结构；b,图a样品的 APT 3D重构图，其中Ag纳米晶由85at.%的Ag等浓度面显示；c, 与图b中蓝色箭头对应的1D数据；d, 从划痕中制备的另一样品的APT3D重构图，其中富Ag与富O区域分别由55 at.% Ag与30 at.% O等浓度面展示；e, 与图d中红色箭头对应的1D数据；f, 示意图展示非晶-纳米晶复合结构氧化物在摩擦过程中的生成过程。
图4 非晶-纳米晶氧化物对降低磨损的作用。a,非晶-纳米晶氧化物与(TiNbZr)75Ag25合金纳米柱（200nm直径）压缩的工程应力-应变曲线；b,SEM图展示纳米柱压缩后形貌；c-d, 非晶-纳米晶氧化物与(TiNbZr)75Ag25合金的纳米摩擦性能；e-f,(TiNbZr)75Ag25合金在空气与Ar氛围（较难发生 “反应减磨” ）摩擦性能对比。
