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镍基高温合金Inconel 718硼化层的微观结构与载荷依赖性磨损特性研究

作者及机构
本研究由北京工业大学材料科学与工程学院（Key Laboratory of Advanced Functional Materials, Ministry of Education）的Zhenjiang Wu、Jinshu Wang、Shuqun Chen等团队主导，合作单位包括北京机械工业自动化研究所（Beijing Research Institute of Automation for Machinery Industry）、国家超级计算深圳中心（National Supercomputing Center in Shenzhen）及武汉理工大学（Wuhan University of Technology）。研究成果发表于2025年的《Tribology International》期刊（Volume 202, Article 110298）。

学术背景
Inconel 718作为一种镍基高温合金，广泛应用于航空发动机关键部件（如涡轮盘、叶片），但其表面硬度不足（<400 HV），导致耐磨性较差。传统表面工程方法（如渗碳、渗氮）因镍对碳/氮的固溶度低而效果有限。硼化（boriding）技术能显著提高镍合金表面硬度（如文献中Günen报道的硬度从235 HV提升至2588 HV），但现有研究对硼化层的相演化机制及摩擦学行为（尤其是载荷依赖性磨损机理）缺乏系统性阐释。本研究旨在通过粉末包埋硼化工艺，结合多尺度表征与理论模拟，揭示Inconel 718硼化层的微观结构特征及其在室温和高温下的磨损机制。

研究流程
1. 材料制备与硼化处理
- 样品制备：采用两种尺寸的Inconel 718基体（10×10×2 mm³用于室温测试，Φ24×8 mm用于高温测试），经砂纸打磨和超声波清洗后，使用B₄C（90 wt%）、KBF₄（6 wt%）和Al₂O₃（4 wt%）混合粉末进行包埋硼化，在850℃氩气环境中处理6小时。
- 创新点：通过优化硼化剂比例（避免SiC导致的孔隙问题）和温度-时间参数，获得致密硼化层。

1. 微观结构表征

   • 多尺度分析：采用扫描电镜（SEM）和电子探针显微分析（EPMA）观察硼化层截面形貌与元素分布；通过透射电镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）鉴定纳米晶相结构；X射线衍射（XRD）验证相组成。
     
   • 关键发现：硼化层分为三层——2.0 μm厚的富镍表层（Ni含量61.1 at%）、11.3 μm厚的化合物层（纳米晶(Ni,Fe)₂₃B₆和(Cr,Fe)B）及10.9 μm厚的扩散层（枝晶状Cr₂B析出）。TEM证实(Ni,Fe)₂₃B₆为亚稳相，其稳定性通过DFT模拟验证。

2. 力学性能测试

   • 硬度与结合强度：维氏硬度测试显示化合物层硬度达1345.9 HV₀.₀₁₅；Rockwell-C压痕实验表明界面结合等级为HF3（VDI 3198标准），适合承载应用。
     
   • 纳米压痕：化合物层弹性模量为254.5 GPa，支撑其高耐磨性。

3. 摩擦学实验

   • 室温磨损：采用CFT-1摩擦测试仪，以Si₃N₄球为对磨副，载荷10–100 N。通过白光干涉仪量化磨损体积，计算磨损率（公式：K=V/FL）。
     
   • 高温磨损：SRV-4试验机在500℃下测试，载荷3–10 N。
     
   • 磨损机制分析：SEM/EDS表征磨痕形貌及氧化层成分。

4. 理论模拟

   • 热力学计算：基于Thermo-Calc软件模拟Ni-Cr-B体系相图，预测Cr₂B→CrB相变及Ni₃B形成条件。
     
   • DFT计算：采用广义梯度近似（GGA-PBE）方法，验证Fe掺杂对Ni₂₃B₆相稳定性的影响（形成能最低出现在12% Fe掺杂浓度）。

主要结果
1. 微观结构：硼化层呈现梯度结构，化合物层中(Ni,Fe)₂₃B₆与(Cr,Fe)B纳米晶（~180 nm）的共存首次被报道。DFT表明Fe掺杂通过磁矩效应稳定亚稳相Ni₂₃B₆（其形成能比Ni₃B低0.02 eV/atom）。
2. 室温磨损：硼化层磨损率（1.81–3.85×10⁻⁶ mm³·N⁻¹·m⁻¹）比基体低两个数量级。高载荷（100 N）促进B₂O₃摩擦层的形成，抑制金属氧化物（如NiO）的第三体磨损。
3. 高温磨损：500℃下磨损率（2.34–4.06×10⁻⁴ mm³·N⁻¹·m⁻¹）受载荷调控——5 N时NiO碎片最少，而10 N载荷下氧化层覆盖对磨球表面，降低摩擦系数至0.49。

结论与价值
1. 科学价值：阐明了Inconel 718硼化层的相演化机制，证实Fe掺杂对亚稳相Ni₂₃B₆的稳定作用；建立了载荷-温度-磨损机制的关联模型。
2. 应用价值：为航空发动机高温滑动部件（如轴承）的表面优化提供理论依据，硼化工艺可显著延长部件寿命。

研究亮点
1. 创新方法：结合实验表征（如FIB-SEM制备TEM样品）与多尺度模拟（Thermo-Calc+DFT），系统性解析硼化层形成机理。
2. 重要发现：首次报道(Ni,Fe)₂₃B₆/(Cr,Fe)B双相纳米结构，并提出B₂O₃摩擦层的高温润滑机制。

其他价值
研究数据可通过请求获取，补充材料DOI:10.1016/j.triboint.2024.110298提供了Rockwell压痕形貌、高温摩擦曲线等辅助证据。