高温耐磨合金制备技术的性能导向选择：真空电弧熔炼vs真空感应熔炼vs电子束熔炼，粉末冶金热等静压vs热压烧结，表面技术激光熔覆vs堆焊，结合合金元素的作用，建立“工艺-组织-耐磨性能”的定量关联

引言

在航空航天、能源动力与轨道交通等工业领域，许多关键零部件长期在高温、高速及高载荷的极端环境下服役，常面临严重的磨损问题，这不仅直接影响机械设备的稳定性和精密度，甚至可能导致设备失效。据统计，机械零部件因磨损而失效的比例达60%~80%[1]。高温耐磨合金正是为了适应此类苛刻工况而设计的一类特种材料，具有优异的耐磨损、耐热和耐腐蚀性能，广泛应用于先进轴承、高温阀门、涡轮叶片和火箭喷管等关键部件。

传统高温耐磨合金主要包括钴基、镍基和铁基合金3类体系，其中：钴基和镍基高温耐磨合金可在900℃以上温度下长期稳定工作[2]，应用较广泛，但制备成本较高；铁基高温耐磨合金的制备成本较低，但高温耐腐蚀性能相对较差，多用于对性能要求不高的场合。随着科技发展及装备升级，新型高温耐磨合金如高熵合金（HEAs）、Ni-Al基合金、Nb-Si基合金等应运而生；其中，高熵合金中的难熔高熵合金因在温度超过1000℃时仍具有优异的高温力学性能[3]而备受关注。为了给相关研究人员提供参考，作者从成分特点、显微组织及性能对不同材料体系高温耐磨合金进行了介绍，总结了合金的相关制备技术及其优缺点和适用范围；重点分析了合金元素和加工方式对高温耐磨合金组织及性能的影响；提出了目前高温耐磨合金存在的问题，并指出未来的发展方向。

1、高温耐磨合金的材料体系

1.1传统高温耐磨合金

1.1.1镍基合金

镍基合金以镍基奥氏体为基体，在650～1200℃温度范围内具有良好的高温强度、抗氧化及耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天、石油化工、能源动力和交通运输等领域[4]，是目前应用最广泛的高温耐磨材料之一。按成型工艺，镍基合金可分为铸造、变形和粉末合金3类；按强化机制可分为固溶强化型和沉淀强化型合金[5]。基于不同的强化机制与微观结构，各类镍基合金在高温耐磨性能方面表现出显著差异，以下结合典型合金予以具体分析。

K4208合金是我国自行研制的沉淀强化型铸造镍基合金，在铸态下能够在800℃高温磨损和腐蚀环境中长期服役，短时最高可承受1000℃高温，广泛用于航空发动机涡轮叶片锯齿冠耐磨涂层的制备。在不同温度和载荷下，K4208合金的高温耐磨性能始终优于Co-Cr-W和Co-Cr-Mo合金[6]；其高温耐磨性能主要来源于钼、钨等合金元素[7]形成的高温稳定强化相（如α-W/Mo相[8]）。

Inconel718合金为沉淀强化型变形镍基合金，其显微组织由铬、钼强化的奥氏体基体、MC型碳化物和少量γʹ相组成，在温度700℃以下具有较高强度、良好耐磨性能和高温抗氧化性[9]，已用于航空发动机的新型先进刷式密封以及能源领域的温热交换器、锅炉管等高温零部件。

TribaloyT-700合金属于沉淀强化型铸造镍基合金，主要由Laves相和Ni-Cr固溶体组成，不含钴和硼等敏感元素[10]，在常温及高温（650℃）下均表现出优异的耐磨和耐腐蚀性能，是核工业领域的理想材料。王维夫等[11]利用激光熔覆技术在TA2钛合金表面制备T-700镍基合金涂层，发现涂层硬度达700~1000HV，比TA2钛合金基材高出4~5倍。

MAR-M247合金是20世纪70年代初开发的沉淀强化型铸造镍基合金，其组织由γ基体相和γ′相组成，其中钴、钨、铬和钼等元素可对γ基体起强化作用，具有较高的强度、良好的耐磨性能以及优异的抗蠕变及热腐蚀性[12]，其服役温度在1000℃左右，主要用于制造涡轮机部件和重型燃气轮机热端部件[13]。

目前，镍基合金的发展已较成熟，但在高速、高压和高载荷的复杂工况下，传统镍基高温合金在高温强度、高温抗氧化性、抗热腐蚀性等方面仍面临挑战。如：第六代镍基单晶高温合金的承温能力已接近理论极限（约1200℃），进一步提升温度空间有限；镍基合金在制备过程中出现的力学性能各向异性、裂纹敏感性等问题仍需深入研究。

1.1.2钴基合金

钴基合金以γ-Co为基体，含有钴、镍、铬、钨和钼等元素，其中钴含量（物质的量分数）通常高于50%；该合金在7301100℃温度范围内具有良好的耐磨、耐热、耐腐蚀及抗氧化性能，温度高于980℃时的耐腐蚀和抗热疲劳性能优于镍基合金[14]，广泛应用于先进刀具、高温高压阀门、高温密封圈及耐磨蚀涂层等方面。目前，Stellite合金和Tribaloy合金是最典型的两类钴基合金[15]。

Stellite合金除钴以外还含有铬、钨、碳、钼、硅和硼等元素，其基本结构均为M7C3型碳化物和铬在钴中的固溶体；按成分可分为Co-Cr-W-C系、Co-Cr-W/Mo-Ni/Fe-C系和Co-Cr-W-C-Si-B系合金[12]。Co-Cr-W-C系合金主要包括Stellite20合金、Stellite6合金、Stellite12合金等；这类合金的成分简单，其中碳含量较高（质量分数通常在1%~2%），其硬度高（410~670HV），耐磨性能优异，但韧性普遍较差，主要用于制造轴承、刀口、汽轮机叶片、高温高压阀门等对耐磨性能要求较高的部件。Co-Cr-W/Mo-Ni/Fe-C系合金包括Stellite21合金和Stellite31合金，含有镍、钼、铁和铌等强化元素，其中碳含量（质量分数，下同）在0.5%以下，其硬度基本在250~650HV，低于Co-CrW-C系合金；这类合金适当降低了合金的硬度，提高了韧性，综合力学性能较好，多应用在堆焊工艺。Co-Cr-W-C-Si-B系合金以Co-Cr-W-C系合金为基础通过引入硅和硼元素制备而成；引入硅、硼元素不仅能提高合金流动性，使合金适用于喷焊和熔焊工艺，还会使合金中形成硬质Si-C和Cr-B陶瓷相[12]（硬度分别为2600，1800HV），显著提升合金的硬度和耐磨性能。

Tribaloy合金是Co-Cr-Mo-Si系合金，其组织主要由高硬度初生Laves相和均匀分布的共晶组织组成，在常温及高温（800~1000℃）下均表现出优异的耐磨与耐腐蚀性能以及较高的力学强度。T-400、T-800和T-900合金是最常见的3种Tribaloy合金，其中T-800和T-900合金是在T-400合金的成分基础上通过调整元素含量发展而来的。T-400合金中的Laves相体积分数通常在35%70%，该合金具有耐高温（服役温度在8001000℃）、耐磨损（硬度约430~560HV）和耐腐蚀性能[16]，主要用于化工阀门、燃气轮机叶片、汽车排气阀、热作模具和各类泵类零部件；T-800合金通过增加铬含量促进了碳化物和初生Laves相形成，从而实现了硬度提高（595~650HV），适用于飞机发动机压气盘、叶片、机匣，以及飞机机身结构件、高温耐磨蚀涂层等部件；T-900合金则通过提高镍含量、降低钴和钼含量，有效减少了Laves相，虽然牺牲了部分硬度（335~425HV），但获得了更优的塑性、断裂韧性和耐腐蚀性能，主要应用于阀座、密封圈和钢导向辊等方面。

我国钴资源稀缺，钴基合金的发展因此受限。在此背景下开发的K640合金是一种沉淀强化型铸造钴基合金，其铸态组织由γ奥氏体、骨架状M7C3型碳化物以及极少量M6C和M23C6型碳化物组成。该合金的性能与Stellite31合金相当，具有良好的耐磨性能、抗氧化性、流动性和铸造性能，能在温度950℃下长期服役，并可短时用于1050℃环境，适用于制造航空发动机导向叶片等关键部件。杨恬恬等[17]采用选区激光熔化技术制备的K640合金的致密程度高，硬度可达500HV。

相比于镍基合金，钴基合金的抗热疲劳、抗腐蚀性能及焊接性能更优，但组织稳定性和高温抗氧化性较差，未来需要通过成分优化与工艺改进来提升综合性能。

1.1.3铁基合金

铁基合金是以铁为基体、碳为主要合金元素形成的Fe-C-X多元合金体系，耐高温、耐磨损、耐腐蚀及抗氧化，广泛应用于航空航天、特种机械零件、石油化工和核电工业等领域[18]。铁基合金主要包括高速钢、H13钢和铸铁等。

高速钢含有钨、钼和铬等合金元素，硬度高（780~875HV），耐磨且耐热（500~600℃），主要用于制造复杂薄刃、耐冲击的金属切削工具、高温轴承和冷挤压模具等；按化学成分可分为钨系、钼系和W-Mo系钢3类。钨系高速钢以钨（质量分数高于9%）为主要强化元素，如W18Cr4V（（T1）钢、9W18Cr4V钢和W12Cr4VMo钢等；此类钢硬度高（如W18Cr4V钢硬度可达63~66HRC），且红硬性优异，适用于高速切削车刀、刨刀、拉刀等[19]。钼系高速钢以钼（质量分数在4%~10%）为主要强化元素，包括W2Mo8Cr4V(M1）钢、Mo8Cr4V2(M10）钢；这类高速钢中碳化物分布均匀，其韧性好但脱与晶粒长大倾向较大，易过热，因此应严格控制加热温度，更适用于制造丝锥、钻头等工具[19]。W-Mo系高速钢中钨质量分数在3%~12%、钼质量分数在3%~8%，兼具钨系和钼系高速钢的优点，在热处理过程中表现出较低的脱碳倾向与过热敏感性，同时碳化物分布更均匀，整体韧性也较高，适用于高速切削工具。

H13钢（又称4Cr5MoSiV1钢）是常用的热作模具钢，其组织中二次碳化物均匀分布于铁素体基体，无明显成分偏析，适用于600℃以下温度环境，具有较高的高温强度以及优异的耐磨性能（硬度在440~550HV）和抗热疲劳性。选区激光熔化（SLM）成形H13钢的磨损率低于SLM成形18Ni300钢[20]；但H13钢的高温耐磨性能逊于高速钢。

铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金，工业上常用的为Fe-C-Si系合金（碳含量在3.0%~4.5%，硅含量在1.0%~3.0%，并含有少量锰、磷和硫等杂质元素）。在耐磨材料发展史上，白口铸铁是一个重要里程碑，其应用最早可追溯至2500多年前用于铸造金属范中的锛和铲；白口铸铁的发展经历了普通白口铸铁、镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁3个阶段。普通白口铸铁和镍硬白口铸铁均具有较高硬度，但其显微组织在高温下不稳定，因此极少在高温场合应用；而高铬白口铸铁由于铬含量较高（质量分数大于12%），能够在内部形成细小M7C3碳化物[21]并在表面形成致密Cr3O2氧化膜，使其在温度600℃以下能保持500~800HV的高硬度，并具有优异的高温耐磨性能和抗氧化性，因此又被称为高铬白口抗磨铸铁，是目前应用最广泛的耐磨铸铁之一。

铁基合金因成本低、加工性能好等核心优势，在常温至中低温（小于650 °C）条件下被广泛应用于汽车发动机、齿轮、轴承、结构件及模具钢等各类结构部件。然而，其在高温强度、耐腐蚀性能和抗氧化性等方面显著落后于镍基和钴基合金。未来可通过优化合金成分、改进热处理工艺和实施表面改性等途径，进一步提升铁基合金的综合性能。

1.2新型高温耐磨合金

1.2.1高熵合金

高熵合金是由5种及以上元素按等物质的量比或近等物质的量比组成的新型合金[22]，具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和“鸡尾酒”效应等[23]，表现出高硬度、耐磨和耐腐蚀等性能；按元素组成可分为3D过渡族高熵合金、难熔高熵合金和轻质高熵合金3类。

3D过渡族高熵合金主要含铝、镁、钴、铜、铬、铁、锰、镍、钛、锡、锌和钒等元素，其中AlCrFeNi、CoCrFeNi、AlCoFeNi、AlCoCrNi及AlCoCrFe合金体系占比超过50%[24]；这类合金能形成更丰富的相结构，从而兼具优异的耐高温、耐腐蚀和抗磨损性能，成为制造航空航天发动机叶片、涡轮盘及燃烧室等关键部件的理想材料。例如：YI等[25-26]制备的CrCuFeTiV高熵合金由富铬、钒或富铁、钛的体心立方（BCC）相、富铜的面心立方（FCC）相和Laves相构成，其铸态屈服强度、抗拉强度及硬度分别达1686，2205MPa和624HV；制备的AlCrCuFeV高熵合金为BCC+FCC双相结构，硬度为565HV；制备的AlCrCuFeTi高熵合金为BCC+FCC+Laves+L21多相结构，硬度可达714HV。

难熔高熵合金主要由ⅣB、ⅤB和ⅥB族高熔点（2000~3500℃）元素构成，组织通常为BCC单相固溶体；由于ⅤB和ⅥB族元素的BCC晶格互溶性好，这类合金在1000℃以上仍具有出色的结构稳定性，同时兼具优异的高温力学性能、耐磨与耐腐蚀性能及高温抗氧化性[27]。POULIA等[28]研究发现，Mo20Ta20W20Nb20V20合金的硬度为97HRB，耐磨性能优于商用Inconel718合金。WEI等[29]制备的Ti30Hf20Nb20Ta10V10Mo7W3合金在宽温域（室温至800℃）范围内表现出优异的力学和摩擦学性能：当温度升高至800℃时，合金的屈服强度仍有734MPa，磨损率减至5.50×10⁻⁶mm³.N⁻¹.m⁻¹，这与高温形成的连续致密氧化层有关。

轻质高熵合金是为了满足轻量化发展而开发的一类高熵合金，以锂、镁、铝和钛等低密度合金元素为主要成分，具有密度低、模量低、比强度与比硬度高以及耐腐蚀性能佳等性能，被视为航空航天和生物科技领域极具潜力的候选材料。其中，AlCuFeMnTiV合金的密度低至6.28g.cm−3，硬度高达618.44HV，断后伸长率达15.83%），比强度高至418.79MPa.cm³.g⁻¹，其综合性能优于多数传统轻质合金[30]，使其成为对质量和耐磨性能有苛刻要求的潜在应用选择。

目前，高熵合金在成分设计、组织－性能关联、高温力学性能和摩擦学行为等方面的研究尚不充分，后续需进一步探究其在航空发动机、燃气轮机等方面的实际应用潜力。

1.2.2Ni-Al基合金

Ni-Al基合金主要包括Ni3Al基、NiAl基、NiAl3基、Ni2Al3基以及Ni5Al3基合金，其中Ni3Al基和NiAl基合金熔点高、耐磨性能佳，可作为高温耐磨材料Ni3Al基合金中的Ni3Al体积分数高达80%，早期该合金因Ni3Al为镍基合金的强化相受到关注；其耐高温能力优于镍基合金[31]，同时具有良好的抗氧化性和耐磨性能。侯杰等[32]开发的新型Ni3Al基合金以Ni3Al为基体，Cr3C2和NiAl为弥散耐磨相，在1050℃下具有优异的抗氧化性能。MX25B合金（在俄罗斯BKHA-2M合金基础上开发）的高温耐磨性能、抗氧化性及强韧性均优于BKHA-2M和T-800合金[33]。

NiAl基合金具有有序立方B2型晶体结构，其熔点高（1638℃）、密度低（5.86~5.95g.cm−³）以及抗氧化性、抗腐蚀性和导热性优异，是极具潜力的高温耐磨合金[34]。YU等[35]在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面制备了NiAl金属间化合物激光熔覆层，发现该熔覆层的磨损率随温度升高降低，在500℃时达到最低值（约3×10⁻⁵mm³.N⁻¹.m⁻¹）。

目前，Ni-Al基合金普遍存在室温塑性差（断裂韧度仅为4~6MPa.m^1/2）和高温强度不足等问题，严重限制了其作为结构材料的工程应用。后续可通过合金化、制备工艺优化及表面处理等[36]提升综合性能，从而推动这类合金在辐射燃烧管、热处理炉气氛连接带等要求优异高温耐磨性能的关键部件中得到实际应用。

1.2.3Nb-Si基合金

Nb-Si基合金基于Nb-Si二元相图[37]设计，其硅含量在6%~18.7%；这类合金通过共晶反应形成铌固溶体（Nbss）与铌硅化合物（如Nb3Si、Nb5Si3）的显微组织，具有高熔点（不小于1750℃）、低密度（6.8~7.2g.cm⁻³）和优异耐高温能力，是新型高温耐磨合金的候选材料，但其高温抗氧化性和室温断裂韧性不佳。MA等[38]采用真空电弧熔炼法制备了Nb-22Ti-15Si-5Cr-3Al-3V-2Hf-2Zr-xMo超高温Nb-Si基合金，其组织由初生γ(Nb，X)5Si3、共晶Nbss/γ(Nb，X)5Si3和少量共晶Nbss/Cr2Nb组成，该合金具有较高的室温硬度（1275~1573HV）和高温强度，这归因于钼元素的加入。

2、高温耐磨合金的制备技术

2.1真空熔炼技术

真空熔炼技术是一种在低于大气压的环境中进行金属熔炼、精炼和浇铸的先进冶金方法，主要包括真空电弧熔炼技术、真空感应熔炼技术和电子束熔炼技术。

真空电弧熔炼技术的冷却速率高，有助于晶粒细化，是块状合金的主流制备技术之一；但由于熔池凝固过程中存在温度梯度，该技术易导致合金中产生元素偏析、疏松和缩孔等缺陷，可通过精确控制工艺参数将这些缺陷限制在可接受水平。真空感应熔炼技术通过电磁感应加热，加热过程中无电极接触，适用于各类钴基、镍基、铁基合金；但该技术对部分非磁性或低导电性材料的熔炼效率较低[39]。真空电子束熔炼技术以高速电子束为热源，其能量集中、熔池温度高，熔炼提纯效果最佳，可获得表面质量良好的铸锭，适合制备含钽、铌、钨、钼等高熔点（熔点大于3000℃）合金[40]以及小型/异型铸锭和铸件；但该方法的电子束加热区域集中，对操作技术的要求较高。

2.2粉末冶金技术

粉末冶金技术以金属粉末为原料，经成型与烧结过程制备合金。这类技术能够减少真空熔炼过程中产生的偏析缺陷，实现近净成形，适用于大批量生产小型复杂形状的金属零件（如齿轮、结构件）；但这类技术在球磨过程中难以避免会引入其他杂质，且生产成本较高。

粉末冶金技术主要包括等离子烧结、热压烧结及热等静压等多种工艺。等离子烧结工艺升温快，可在数分钟内达到致密化，远少于传统方法的数小时[41]，并且能够在相对更低的温度下达到接近全致密的烧结效果，可用于高熔点金属烧结以及前沿材料科学研究与开发等。热压烧结工艺在单轴加压下进行烧结，成型压力仅为冷压的1/10，能降低烧结温度，缩短烧结时间，从而获得细晶组织，适用于生产传统高性能陶瓷和硬质合金；但其对模具材料要求高，能源消耗大，生产效率低、成本高[42]。热等静压工艺采用高压容器配合氩气等惰性气体，对工件施加高温及各向同性的等静压力，从而实现整体均匀致密化，适用于消除航空发动机单晶叶片、钛合金铸件等高端铸件的内部孔洞。

2.3增材制造技术

增材制造技术以激光、电子束或电弧等为热源，通过将金属粉末或线材逐层熔化堆积成形三维实体；按工艺类型可分为定向能沉积技术和粉末床熔融技术[43]，按热源可分为选区激光熔化技术、选区电子束熔化技术、电弧增材制造技术等[44]。选区激光熔化的冷却速率极高（103~10⁸K.s⁻¹），激光光斑细小（直径通常为50~100μm），可焊接大多数金属粉末，适用于制造高精度耐磨合金零件；但是该技术制备的合金材料易产生微观裂纹。选区电子束熔化在真空环境（真空度高于0.01Pa）中进行，其电子束能量转化率高，扫描速度快，成型效率高于选区激光熔化，能够将粉末床预热至高温（如将Ti6Al4V合金粉末预热到700℃），极大减少了残余应力，使得零件不易变形开裂，尤其适合对性能要求极高的航空航天用钛合金与镍基高温合金构件（如发动机叶片等）；但选区电子束熔化成形零件的表面比选区激光熔化成形零件粗糙，需进行后续加工。电弧增材制造的沉积速率最高（可达每小时数公斤），且不受腔室限制，适用于制造超大零件；但其制备的合金表面粗糙，须进行后续机械加工，且残余应力和变形较大，不利于材料性能[45]。

2.4表面技术

在实际服役过程中，高温耐磨合金材料表面往往直接与环境接触，易出现表面磨损、腐蚀和氧化等问题，缩短服役寿命[46]。采用表面技术对基体材料进行表面强化处理，可以有效提升表面硬度、耐磨和耐腐蚀性能。目前，常用的表面技术包括激光熔覆、堆焊和渗镀技术等。

激光熔覆技术利用高能激光束熔化合金粉末[47]在工件表面形成组织均匀细小、结构致密的涂层，能显著提高工件表面性能[48]，已应用于ZG25MnNi铸钢表面熔覆FeCoNi2CrMnV0.5Nbx高熵合金涂层[49]、AISI1045钢表面熔覆FeCoNiCrAl0.5Ti0.5高熵合金涂层[50]；但该技术对熔覆粉末的粒径和流动性要求较高，且设备投资大。堆焊技术通过电弧或气体火焰在基材表面熔焊具有特殊性能的合金粉末形成耐磨、耐腐蚀合金涂层，该技术的经济性好，但易导致涂层出现变形与裂纹等问题；该技术可利用镍基、铁基、钴基合金和高熵合金实现高温、高磨损环境下服役部件的表面修复和再制造，例如：SHEN等[51]采用Co03钴基合金和JXHC15铁基合金双金属层堆焊工艺对已失效的大型热作模具进行再制造；WANG等[52]采用等离子堆焊技术在45#钢上堆焊WC颗粒增强FeCoCrNiMn高熵合金涂层。渗镀技术是一种在高温（500~1200°C）下通过热扩散作用将元素渗入基体表面，形成极硬、极耐磨且能抵抗高温氧化的表面强化层的方法，按渗入元素可分为渗铝、渗硼、渗铬和渗氮技术等，适合用于提升镍基、钴基以及难熔高熵合金等高温耐磨合金的高温耐磨损与抗氧化性能。目前，已有相关应用，如在Al0.25CoCrFeNi高熵合金表面渗硼[53]、在Fe40Mn20Cr20Ni20高熵合金表面渗铬[54]。

3、高温耐磨合金性能的影响因素

3.1合金元素

向高温耐磨合金中添加合金元素是其成分设计的核心，添加的合金元素通过固溶强化、第二相强化及晶界强化等机制调合金显微组织，从而提升硬度、强度、耐磨和耐腐蚀性能以及抗氧化性。

镍基合金的性能依赖γ′主要强化相和γ基体相的协同作用。在镍基合金中，铝、钛、铌和钽等为γ′相形成元素，可部分取代Ni₃Al中的铝或镍位点，提高γ′相的体积分数和稳定性，从而增强合金的高温抗变形能力；其中钽元素能够显著提高γ′相体模量，最高可提升至193.33GPa，与未掺杂钽元素时相比提高了14GPa[55]。钨、钼、铬、钴、铼和钌等元素因原子半径与镍接近，易固溶于γ基体，起固溶强化效果，其中添加铼元素后镍基合金的弹性模量和剪切模量均提高；同时铬可形成Cr2O3氧化膜提高合金抗氧化和抗腐蚀能力，钼和钨元素则可提高镍基单晶高温合金的蠕变断裂强度。此外，硼、碳、镁及稀土元素铈、镧等因与镍的原子半径相差较大，倾向偏析于晶界，起晶界强化作用。上述添加的合金元素通过固溶强化、沉淀强化及晶界强韧化作用，协同提高了高温耐磨合金的强度和塑性[56]。

在钴基合金中，铬元素既可以固溶入钴基体提升表面硬度，还可以形成M7C3、M23C6等碳化物硬质相，提高耐磨性能，同时促进致密Cr2O3氧化膜形成，提高抗氧化和抗腐蚀能力。钼和钨元素可以与铬、钴元素形成高硬度Laves相[57]，有利于合金高温强度、抗蠕变性能和耐磨性能提高；在Tribaloy合金中添加钼和铬元素还能降低钴基体的层错能，促进塑性变形过程中FCC结构向密排六方（HCP）结构的应力诱导相变，从而有利于耐磨性能提升[58]。硅和锰元素可以通过改善合金流动性提高铸造性能，同时加强熔体脱氧作用，并有利于控制硫元素含量。硼元素可以提升钴基合金的持久强度和持久塑性。碳含量通过影响碳化物的数量与种类，从而实现合金硬度和韧性调控。此外，在Co-Cr-W/Mo-Ni/Fe-C系、Tribaloy和K640合金中添加镍可以降低钴基体的变形抗力，提高加工性能，添加铁元素则可以引发晶格畸变产生固溶强化效果，提高强度。

铁基合金中的合金元素作用因体系而异。以高速钢和热作模具钢为例。在高速钢中，碳元素为主要强化元素，可以促进碳化物形成；钨和钼元素可提高红硬性；铬元素可提高淬透性；钒元素可增加马氏体回火稳定性，提高耐磨性能、硬度以及红硬性；钴元素可以提高红硬性和二次硬化效果，但其含量过高会降低强度和韧性。对于热作模具钢，铬、钨和硅元素可提高回火稳定性，钼、钨和钒元素可对合金产生二次硬化效果[19]。

高熵合金由于成分复杂，其合金元素影响较复杂。碳元素通过形成碳化物以及铌元素通过形成硬质金属间化合物（如Laves相等）提高材料的耐磨性能；硼元素通过改变磨损机制，促进增强相生成，从而提高耐磨性能；铝、钛和钼元素均可通过增大合金中硬质相的体积分数提升耐磨性能；硅元素可促进增强相形成，有效提高耐磨性能[59]。此外，在FeCoCrNiNb₀.₆合金中，铌元素还能通过抑制晶粒生长提高耐磨性能。

Ni3Al基合金中通过添加占据Ni3Al中铝位的γ′相形成元素，如钨、钼、铌、钒、钽、锆等可以起最佳的固溶强化效果[60]。LI等[61]研究发现，分别添加质量分数3％钼和3％钽后，Ni3Al基合金的应力-断裂寿命均延长（分别为330，260h），应力-断裂性能提升，其中钼的促进作用更明显。此外，当Ni3Al基合金中的铬含量从5%增至10%时，合金在650℃的断裂延伸率从不足7%增至14%以上，可见提高铬含量能有效改善合金的中温塑性[62]。

在NiAl基合金中，铁、钴、铜及锰等元素通过固溶强化，阻碍位错运动，从而提高强度和硬度；铪、锆、钒、铌、钽等元素在降温时析出弥散细小沉淀相，起到沉淀强化作用；硼元素通过向晶界偏聚起晶界强化作用；铬、钼、钒和钨等元素有助于合金中形成伪共晶组织，从而改善室温韧性并提高高温强度[63]，其中铬元素还有利于细小球形颗粒状沉淀α-Cr析出，提高合金硬度[64]。ALBITER等[65]研究了铁、镓和钼添加对NiAl基合金显微组织与力学性能的影响，发现这些元素可显著细化晶粒，促进纳米级微晶形成，其中：添加质量分数6%铁的合金的断后伸长率最高（22%）；添加镓的合金的屈服强度较高，但变形速率较低；添加质量分数2%~6%钼后合金中形成第二相Mo₂C，断后伸长率降低；共同添加质量分数2%镓和6%钼的合金硬度最高。

Nb-Si基合金中添加钛、铪、硼、锆等元素有利于提升塑性，添加铬、铪、钼、钨等元素则可以提高强度[66]。郭建亭等[67]研究发现，随铪含量增加，Nb-16Si合金的断裂韧性提高。ZHANG等[68]采用放电等离子烧结技术制备了Nb-Si-Cr三元合金，发现：随着合金中Nb5Si3和Cr2Nb体积分数增加，而合金的屈服强度和最大抗压强度提高；当Cr2Nb体积分数从10%增加到50%时，硬度从367HV升至700HV。

3.2加工方式

加工方式是调控晶粒尺寸与形态、夹杂物数量，进而影响合金高温耐磨性能、强度和韧性等的关键因素。

在真空熔炼技术中，电子束熔炼技术可有效消除合金的间隙孔，使组织更致密均匀，杂质含量更低，材料纯度更高。王焱辉等[69]研究发现，电子束熔炼后钒金属中的间隙杂质元素碳、氧和氮含量降低，去除率分别达56.41%，79.17%和52.38%，材料纯度达99.932%。在航空发动机用高温合金等高端材料制备中，采用多级串联熔炼工艺能够进一步降低有害杂质与夹杂物。CHEN等[70]研究发现，经过真空感应熔炼→电渣重熔精炼→真空电弧熔炼后，高温合金中有害杂质氮、硫和氧含量降低，夹杂物数量减少，尺寸细化，合金在535℃下的抗拉强度提高至1053MPa，疲劳寿命延长至1417周次。

粉末冶金技术通过粉末均匀混合可以显著减少元素偏析。与真空感应熔炼相比，采用粉末冶金技术制备的Al₀.₂Co₁.₅CrFeNi₁.₅Ti高熵合金具有更高的抗弯强度（2018MPa）、弹性模量（258GPa）和硬度（712HV）[71]。粉末粒径、成形方式（如热等静压和静压烧结）以及烧结工艺等均会影响材料的致密程度和晶粒尺寸，进而影响综合力学性能。例如：更细小的合金粉末能够形成更细的晶粒和更均匀的组织，提高合金强度；热等静压烧结从所有方向均匀施加压力，消除了单向压力导致的各向异性，能够获得各向同性的均匀组织，而热压烧结是单相加压，所制备的材料组织不如热等静压制备的致密均匀，其综合性能通常不如热等静压制品；SHKODICH等[72]研究发现，高能球磨结合放电等离子烧结工艺可以细化组织，提高TaTiNbZrX难熔高熵合金（X为钼、钨）的抗压强度（比未进行高能球墨时提高了30%）。

增材制造技术冷却速率快，可获得比真空熔炼技术更细的显微组织和析出相[73]。WANG等[74]研究发现，采用选区激光熔化技术制备的单相BCC结构Nb40Ti40Ta20难熔中熵合金的晶粒尺寸仅为采用真空电弧熔化技术制备的1/22，前者制备的合金硬度和强度高于后者。不同增材制造技术因热源、能量输入方式和冷却速率等不同，对材料熔融和凝固行为的影响各异。LIU等[75]研究发现：选区激光熔化的冷却速率相较于选区电子束熔化更快，该技术制备的Ti24Nb4Zr8Sn合金中形成了细β枝晶，抗压强度更高（50MPa）；但选区激光熔化的激光光斑尺寸更小，制备的合金中缺陷更多，在高应力水平下的疲劳性能更差。选区电子束熔化通过高温预热能有效减少残余应力与开裂；而电弧增材制造因热输入高、冷却慢，易形成粗大柱状晶，导致组织各向异性和残余应力问题突出。

表面技术通过镀覆层或元素掺杂增强零部件表面的耐磨性能和耐腐蚀性能[47]。激光熔覆和堆焊技术均通过冶金结合实现镀覆层与基体的高强度结合；相较于堆焊技术，激光熔覆技术的能量更高、稀释率更低（小于5%）、作用时间更短，熔覆层组织更致密，气孔、夹渣等缺陷更少，结合强度更高[76]。与前述两种技术不同，渗镀技术则依赖扩散固溶形成原子结合，因此宏观界面的结合强度通常较低，但该技术通过化学热处理可显著提升材料表面的硬度和耐磨性能。WANG等[77]采用等离子渗氮技术在Al₁.₃CoCuFeNi₂高熵合金表面渗氮后，表层形成AlN和Fe₄N相，表面硬度从渗氮前的340HV提升至587HV。此外，渗镀技术还能在表层引入较大的残余压应力，有效抑制疲劳裂纹的萌生与扩展，从而提高零件的疲劳强度。更重要的是，该技术能够在保持基体良好韧性的同时，赋予表层高强度，有效解决了表层与基体在强韧性匹配上的矛盾，充分发挥了材料性能潜力[78]。

热处理是优化高温耐磨合金组织与性能的关键工序。通过调控加热温度、保温时间、冷却速率及气氛环境等参数，热处理可有效消除内应力、减少组织缺陷、改善成分均匀性，并促进高密度沉淀相析出，从而实现微观结构的精确调控与性能提升[79]。杨湘杰等[80]研究发现，经过810℃×30min热处理后，Inconel718合金晶粒细化，组织分布更均匀，微观缺陷减少，硬度提高至250.48HV，抗拉强度升至773MPa，强度比未进行热处理时提升了8.48%。SHEN等[81]研究发现，FeCoCrV高熵合金经过600℃×1h热处理后，其磨损率降到1.60×10⁻⁵mm³.N⁻¹.m⁻¹。

4、结束语

高温耐磨合金是一类具有优异耐磨、耐高温和耐腐蚀性能的特种金属材料，广泛应用于航空航天、能源化工和轨道交通等工业领域。目前，国内外已经开发出钴基、镍基、铁基、Ni-Al基和NbSi基合金以及高熵合金等众多合金体系，并且通过合金元素添加和加工方式优化实现了高温耐磨合金的组织调控和性能提升。然而，目前该领域研究仍存在以下几方面问题。

（1）高温耐磨合金摩擦学行为的系统性研究尚不充分。材料的摩擦学行为受测试温度、加载载荷、滑动速度和环境气氛等因素影响，未来需要深入研究这些因素与高温耐磨合金磨损机制之间的内在联系。

（2）传统高温耐磨合金（如钴基、镍基合金）在极端条件下的综合性能已接近极限，难以满足新一代装备在更高温度和更复杂受力状态下的要求。同时，传统高温耐磨合金依赖钴、铼等稀贵金属元素，导致成本居高不下，严重制约其大规模工程应用。开发低成本、高性能替代材料，并通过成分设计及工艺优化降低成本，是未来的重要发展方向。

（3）新型高温耐磨合金体系目前仍处于发展阶段，存在诸多问题亟待解决。高熵合金的成分设计原则及其组织与性能关联机制尚未明确，未来应结合多尺度计算模拟、先进表征技术与原位实验等方法进行深入研究；Ni-Al基合金虽具有良好的高温抗氧化性和高温强度，但其中低温脆性大、焊接性能差，未来可通过显微组织调控、复合化设计及引入韧化相，抑制晶界脆性，并优化制备加工工艺来提升综合性能；Nb-Si基合金熔点高、密度低以及高温性能优异，但室温断裂韧性差、高温抗氧化能力欠佳，未来需要从显微组织设计、韧化处理、合金化改进及表面防护涂层等多方面协同提升性能。

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（注，原文标题：高温耐磨合金的研究进展）

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