北京
背景
高温运动部件的失效，往往并不只是因为“缺少润滑”，而是因为摩擦界面难以在极端热-力耦合环境下保持稳定。对于航空发动机、空气箔片轴承、燃气轮机和高温传动部件等服役场景，涂层需要同时面对高温氧化、机械剪切、界面开裂和保护性氧化层剥落等多重挑战。传统自润滑涂层虽然可以通过软金属润滑相或氧化物保护层降低摩擦磨损，但在接近1000 ℃的极端工况下，润滑相消耗、氧化膜开裂和界面失稳仍然限制其长期可靠服役。
针对这一难题，中国科学院兰州化学物理研究所等研究团队提出了一种“制备阶段界面调控 + 服役阶段结构自适应”的高温自润滑涂层设计策略。该策略的核心并不是简单地向高熵合金涂层中加入Ag和氧化物颗粒，而是利用纳米Ag改善陶瓷增强相与金属基体之间的界面兼容性，同时利用高熵氧化物在高温摩擦过程中的动态结构演化来稳定摩擦界面。相关研究以“Interfacial mediation by nano-Ag and friction-induced ordering of high-entropy oxides for high-temperature tribological stability”为题发表于Journal of Materials Science & Technology。
图1. 采用CCDS2000爆炸喷涂工艺制备自润滑涂层及其在空气箔片轴承中应用的示意图。
纳米Ag的界面调控
在高温滑动过程中，金属基涂层表面会发生氧化、塑性变形和摩擦化学反应。理想情况下，表面形成的氧化层可以隔离直接金属接触，并承担一定的润滑和保护作用。然而，在热膨胀失配、周期性剪切和高温氧化共同作用下，这类保护层往往容易开裂、剥落或被快速磨除，导致涂层重新暴露并进入严重磨损状态。因此，高温自润滑涂层设计的关键，已经不只是“加入一个低剪切润滑相”，而是要构筑一个能够在滑动过程中持续演化、持续承载并持续保护的摩擦界面。在新型NiCrFeTi0.3Al0.3-Ag-高熵氧化物复合涂层中，Ag不仅作为传统意义上的软润滑相存在，更重要的是在爆炸喷涂过程中被细化为纳米颗粒，并优先修饰在高熵氧化物颗粒表面。
图3. (d1–d3) NHM涂层中熔融金属颗粒的电子背散射衍射（EBSD）分析，包括(d1) 反极图、(d2) 核平均取向差图、(d3) 相图及晶粒尺寸分布；(e) NAO涂层的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。
高熵氧化物的高温动态响应
在喷涂态涂层中，高熵氧化物主要保持非晶结构。经过1000 ℃高温滑动后，高熵氧化物内部出现有序纳米晶区域，同时仍保留部分非晶结构，形成纳米晶/非晶共存的非平衡混合结构。该结构不是单纯热结晶的结果，而是在高温热激活与摩擦剪切耦合作用下形成的动态结构状态。这种结构具有重要意义：有序纳米晶区域可以提供承载支撑、位错钉扎和抗裂作用，残余非晶区域则能够容纳局部应变、缓冲剪切变形，并降低界面开裂风险。二者协同，使高温滑动界面从容易失稳的单一氧化层，转变为具有承载、缓冲和保护功能的梯度摩擦界面。
图9. (b1) NAO涂层顶部氧化层内HEO颗粒的TEM表征（FIB截面）及对应的EDS元素分布；(b2) HEO颗粒的高倍HAADF图像；(b3) HEO颗粒的FFT及HRTEM图像；(c) 顶部氧化层内HEO颗粒周围产生的层错的HAADF高倍图像；(d) HEO颗粒内部析出纳米晶的高倍HAADF图像。
宽温域稳定自润滑与耐磨性能
得益于纳米Ag界面介导和高熵氧化物动态结构调控的协同作用，该复合涂层在25–1000 ℃宽温范围内表现出稳定的摩擦学性能。特别是在1000 ℃空气环境中，Ag和高熵氧化物协同增强的复合涂层摩擦系数达到0.31 ± 0.05，磨损率为（1.21 ± 0.4）×10⁻⁵ mm³/(N m)。该涂层在1000 ℃下形成了由顶部氧化层、纳米晶氧化层和细晶变形层组成的梯度摩擦界面。顶部氧化层提供保护，纳米晶氧化层承担高温承载，细晶变形层缓冲剪切变形，而Ag和高熵氧化物颗粒进一步参与裂纹偏转、氧化层稳定和界面结构支撑。这种多层级结构共同赋予涂层优异的高温摩擦稳定性。
图10. (a) NAO涂层与其他材料在1000 °C下的摩擦系数及磨损率对比；(b) NAO涂层在1000 °C下的磨损机理示意图
工作意义
该研究提出了一种面向高温自润滑涂层的新设计理念：在制备阶段，通过纳米Ag调控陶瓷-金属界面；在服役阶段，通过高熵氧化物的动态有序化和非晶/纳米晶共存结构稳定摩擦界面。这一策略突破了传统自润滑涂层依赖单一润滑相或单一氧化物增强的设计思路，为航空发动机、空气箔片轴承、燃气轮机和高温传动系统等极端服役部件提供了新的材料设计方向。
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
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