本研究由Ayna Zahoor（第一作者及通讯作者）、Atikur Rahman和Mohammad Mursaleen Butt合作完成，作者单位均为印度国立理工学院斯利那加分校（National Institute of Technology Srinagar），分别隶属于冶金与材料工程系和机械工程系。研究成果发表于2025年的《Tribology International》期刊，标题为《Inconel 718合金：微观结构、硬度及摩擦学性能研究》（”Inconel 718 alloy: a study of microstructure, hardness, and tribological properties”），DOI编号10.1016/j.triboint.2025.110769。

学术背景

本研究聚焦于镍基高温合金Inconel 718的摩擦学行为，该材料因其优异的强度、耐腐蚀性和高温稳定性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。尽管其机械性能已有深入研究，但关于不同载荷下摩擦层（tribo-layer）形成机制及其对磨损行为的影响尚不明确。现有研究多关注氧化或机械性能，而缺乏系统性分析载荷条件对磨损机制、摩擦层稳定性及摩擦系数的调控作用。因此，本研究旨在填补这一空白，通过微观结构表征、纳米压痕测试和干滑动磨损实验，揭示载荷对Inconel 718摩擦学性能的影响规律，为优化其在极端工况下的使用寿命提供理论依据。

研究流程

1. 材料制备与表征

研究采用印度Mishra Dhatu Nigam公司提供的Inconel 718合金块（尺寸300 mm×210 mm×5 mm），其名义成分为19.1% Fe、18% Cr、4.91% Nb等。通过线切割放电加工（Wire EDM）制备三类样品：
- 微观结构分析样品（20 mm×6 mm×5 mm）：经研磨、抛光和蚀刻后，采用场发射扫描电镜（FE-SEM）观察γ相（gamma phase）分布，并通过能谱分析（EDS）验证Cr、Al、Mo等元素的均匀性。
- 纳米压痕样品（10 mm×10 mm）：使用Hysitron TI Premier纳米压痕仪，以Berkovich金刚石压头在200–1000 μN载荷范围内测试，采用Oliver-Pharr法计算硬度，并通过熔融石英标准校准。
- 磨损测试样品（20 mm×20 mm）：表面粗糙度控制在0.528 μm（图1b）。

2. 干滑动磨损实验

采用球-盘式摩擦仪（R.Tec Instruments - MFT-5000）进行室温干滑动测试，遵循ASTM G99标准：
- 参数设置：不锈钢316L球（直径10 mm）、载荷10/30/50 N、滑动频率15 Hz、总距离54 m。载荷选择基于实际应用场景：10 N模拟精密部件，30 N对应涡轮叶片，50 N代表极端应力条件。
- 数据分析：通过质量损失计算磨损率（公式1），并基于赫兹接触理论估算接触应力（10 N/954 MPa、30 N/1371 MPa、50 N/1634 MPa）。每组实验重复3次以确保可重复性。

3. 磨损表面分析

• 形貌表征：光学轮廓仪和原子力显微镜（AFM）获取3D磨损轨迹形貌，量化深度和粗糙度（Ra）。
  
• 微观机制解析：FE-SEM观察磨损轨迹的裂纹、分层等缺陷，EDS分析氧含量以验证氧化层形成。
  

主要结果

1. 微观结构：FE-SEM确认合金以γ相为主，未观察到δ相或γ’/γ”析出相（图3-4）。EDS显示Cr、Al、Mo均匀分布于γ相基体，无碳化物偏聚。
   
2. 纳米硬度：硬度随压痕载荷增加而降低（200 μN时最高4.39 GPa），800 μN后趋于稳定，平均值为3.118 GPa（图5）。此现象归因于压痕尺寸效应（ISE）——低载荷下晶界强化作用显著。
   
3. 摩擦学性能：
   
   • 最优载荷：30 N时摩擦系数（COF）最低（0.210），磨损率仅1.094×10⁻⁵ g/Nm（表2）。3D轮廓显示最浅磨损深度（5.24 μm）和最低粗糙度（0.67 μm，图7）。
     
   • 机制解析：30 N下形成稳定的摩擦层（含NiO/Cr₂O₃氧化物和机械混合层MML），减少直接金属接触（图9、11）；而50 N时高接触应力（1634 MPa）导致摩擦层破裂，引发严重分层和粘着磨损（图10），磨损率升至3.97×10⁻⁵ g/Nm。
     

结论与价值

本研究系统阐明了Inconel 718的载荷依赖性磨损机制，发现30 N为最优载荷，其形成的稳定摩擦层可显著降低材料损失。科学价值在于揭示了摩擦层稳定性与接触应力的关联性，为高温合金的摩擦学设计提供新见解；应用价值体现在指导航空发动机等关键部件的载荷优化，延长服役寿命。此外，通过纳米压痕与宏观磨损的跨尺度关联，建立了微观结构与性能的桥梁。

研究亮点

1. 创新性发现：首次报道30 N载荷下摩擦层的自保护效应，其平衡了机械应力与氧化反应，是低磨损率的关键。
   
2. 方法学贡献：结合赫兹接触应力分析与FE-SEM/EDS多尺度表征，提出“载荷-摩擦层稳定性-磨损率”定量模型。
   
3. 工程指导意义：明确Inconel 718在航空航天应用中的安全载荷阈值（30 N/1371 MPa），为工况参数选择提供数据支撑。
   

其他价值

作者建议未来研究探索润滑条件（如MoS₂纳米流体）和不同对磨材料（如Al₂O₃陶瓷）对摩擦层的影响，以进一步拓展该合金的适用边界。数据保密性声明提示工业界需与学术界合作获取详细工艺参数。