近日，机械与电子工程学院宋月鹏教授团队在《Journal of Alloys and Compounds》在线发表了题为“In-situ synthesis of multiphase carbides/high-entropy alloy gradient composites by high-gravity combustion route”的研究论文。在读博士生吴昆为该论文第一作者，宋月鹏教授为该论文通讯作者。
金属陶瓷/高熵合金梯度复合材料具有极强的抗冲击性能和优良的强韧性能，已成功应用于航空航天、装甲防护、承受冲击磨损农机关键零件等各领域，成为国内外备受瞩目的一种新型功能材料。但是由于金属陶瓷增强相与高熵合金的密度差异，传统的熔融法制备这种梯度复合材料非常困难且质量极不稳定。超重力燃烧合成技术具有制备材料快速高效（大部分铝热体系反应速度超过20 m/s，绝热温度一般在2000 K以上，重力系数在1000以上）、组织性能分布可控且无界面分层、性能优良且成本低廉等特点。宋月鹏教授团队在高放热铝热体系中添加金属陶瓷及高熵合金组分，成功利用超重力燃烧合成技术，制备出性能优良的金属陶瓷/高熵合金梯度复合材料并进行了组织性能表征，并建立了复合材料成型机制模型，为该材料工程化应用提供了成功案例。
本研究以复合铝热剂（Co3O4、Cr2O3、Fe2O3、NiO和Al粉）和WC粉末为原料，铝热反应后会形成了Al/Cr/Co/Fe/Ni为组分的高熵合金，同时产生超高温场导致铝热反应产物（陶瓷相、高熵合金相）均以熔体形式存在，超高温还使得高熵合金与WC增强颗粒发生反应，生成了M3W3C（η phase，M= Co, Cr, Fe, Ni）、W2C、Cr23C6多相金属陶瓷碳化物。在超重力场的作用下，包括金属陶瓷碳化物相在内的多种弥散相与高熵合金熔体由于密度不同，从而产生运动分离，形成了独特的梯度分布结构，这是传统熔融法根本无法达到的组织结构。这种新颖独特的组织结构导致材料的力学性能沿超重力方向呈现平缓梯度变化：维氏硬度逐渐增大（由419 HV1增至893 HV1），耐磨性能逐渐增强（平均摩擦系数由0.76降至0.27），断裂韧性先减弱再增强（实测最大值为8.9 MPa·m1/2），复合材料整体表现出良好的抗压强度（1.84 GPa）。
此外，本研究分析了超重力场中多相运动分离特征：弥散相Al2O3颗粒、气泡在金属熔体中呈上浮运动；M3W3C颗粒呈下沉运动，沿超重力方向体积分数逐渐增大。通过建立弥散相运动位移与熔体保持时间的关系，揭示了梯度性能形成机理，即超重力系数越大、弥散相粒径越大、HEA熔体保持时间越长，弥散相运动位移越大。最后，本研究探寻了该梯度复合材料在农业工程领域的应用渠道，即采用该梯度材料制备的农用割刀，具有良好的自磨锐性能，可有效延长切割作业的服役寿命。
该研究得到了山东省自然科学基金、山东省果品产业技术体系专项资金的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.178892
编 辑：万 千
审 核：贾 波
