激光熔覆技术制备高熵合金涂层研究进展

多主元高熵合金的发现打破了传统多组元合金产生复杂金属间化合物的桎梏，通过其特有的高熵效应反而会生成简单且综合性能优越的相结构。激光熔覆技术制备高熵合金涂层是实现高熵合金性能的最主要的途径之一，具有变形小、致密度高、稀释率低且与基材有良好的冶金结合等特点。本文将对激光熔覆技术制备高强硬度、热稳定及抗高温氧化、耐磨损高熵合金涂层进行探究。

一、高强硬度涂层  

传统固溶体结构有溶剂和溶质之分，而高熵合金涂层组织结构由于主元含量相近，并无此分别，进而固溶强化效应异常显着，这就决定了涂层的强度与硬度会得到显着提高。而且激光熔覆技术的超高功率及超快冷却速率也会使涂层组织晶粒细化，两者结合可以达到相辅相成的作用，进一步增加涂层的强硬度，使金属材料在工程应用中发挥出更大的作用。如图 1 所示。高熵合金与传统合金在密度上差异不大，但前者具有更高的硬度。

图 1 高熵合金与其他结构材料的屈服强度与密度对比

二、热稳定及抗高温氧化涂层  

高温氧化与高温蠕变行为是制约金属材料在高温环境中服役的重要原因，随着高熵合金的发展，发现许多高熵合金能在高温下保持较高的强度和硬度，如图 2 所示，部分高熵合金涂层的抗高温氧化性与优质镍基热障涂层相当，尤其在 800℃以上高温时，高熵合金具有更明显的优势。

图 2 高熔点高熵合金与传统镍基高温合金的高温压缩性能对比图

使用激光熔覆技术制备了FeCrxCoNiB（x=0.5，1，1.5，2，3）高熵合金涂层。涂层在900℃退火 5h 前后内部相结构保持不变，均由 FCC 固溶体相和硼化物组成，x=3时，涂层退火后硬度仅降低 6%，表明涂层具有良好的热稳定及高温抗软化性能。随后将涂层加热至 900℃并保温 10h 随炉冷却，反复进行 4 次，检测涂层的高温抗氧化性能。结果显示，五种不同 Cr 含量涂层的抗氧化性远高于 45 钢基材，经 3 次氧化循环后，（x=0.5，1，1.5）涂层的氧化物增量明显高于（x=2，3）涂层，表明后者具有更好的高温抗氧化性能。Huang 等使用激光熔覆技术制备了 TiVCrAlSi 高熵合金涂层。将涂层与基体在 880℃下退火 24h，并分别对其表面氧化物称重，结果显示，涂层的增重远远低于基材的增重，且随着时间变化重量差逐步增大，说明涂层具有良好的抗氧化性能。

三、耐腐蚀涂层

AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy系列高熵合金的耐磨性能，其耐磨性能至少是传统耐磨钢的两倍。如图 3 所示。这充分说明了部分高熵合金具有优异的耐磨损性能。另外，高熵合金的高强硬度、热稳定性等特性也是其耐磨损的主要原因。

图 3 AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy 与传统的耐磨钢的耐磨性能比较

在钛铝合金基体上激光熔覆制备了 TiVCrAlSi 高熵合金涂层。实验结果表明，涂层的比磨损率低于基体，耐磨损性能相比基体得到显着提高。主要原因有两个，其一，激光熔覆技术使涂层组织细晶强化及高熵合金的固溶强化作用使得涂层硬度显着提高，从而耐磨性能提升其二，涂层组织中原位生成硅化物硬质相，该相的平均硬度高达 1108HV，约为基体的两倍，这是涂层耐磨性能提升的主要原因。                                

四丶展望

高熵合金具有高强硬度、高塑韧性、耐磨性、高温抗氧化性等一系列优异的力学性能。激光熔覆技术与高熵合金的结合是表面改性技术的新尝试也是发挥高熵合金卓越性能的新方式。但是，效率问题是阻碍激光熔覆技术广泛应用的最关键因素，一般激光熔覆技术的扫描速度为 0.5-2m/s，且激光光斑直径较小，单位时间内激光扫描面积十分有限，所以设计出效率更高的激光器是未来的研究重点。