高速激光熔覆制备的FeCoCrNiMo涂层的微观结构演变及其耐磨蚀性能

《Surface and Coatings Technology》：Microstructure evolution and wear–corrosion properties of FeCoCrNiMo coatings manufactured by high-speed laser cladding

高速激光熔覆制备的FeCoCrNiMo高熵合金涂层微观结构由FCC相和亚微米级σ相组成，硬度随深度增加达77.1%优势，其耐磨性比304、431和Ni60涂层分别降低51-511%，耐腐蚀性通过MoO3固体润滑和MoO2增韧作用提升1.5-1.7倍。

　　FeCoCrNiMo高熵合金涂层的研究是一项聚焦于开发新型材料以应对复杂工业环境需求的重要工作。高熵合金因其独特的成分设计和优异的物理性能，近年来在材料科学领域引起了广泛关注。这类合金通常由五种或以上金属元素以相近的原子比例组成，展现出不同于传统合金的微观结构和宏观性能。在本研究中，研究人员通过高斯速激光熔覆（HSLC）技术制备了FeCoCrNiMo高熵合金涂层，并对其微观结构、维氏硬度、耐磨性和耐腐蚀性进行了系统分析。研究结果表明，这种新型涂层在多个方面表现出优于传统不锈钢和镍基合金涂层的特性，具有广泛的应用前景。

高熵合金的显著优势之一是其在极端环境下的综合性能。传统不锈钢材料，如304L，虽然具有良好的耐腐蚀性、延展性和成形性，但在某些工业应用中，其耐磨性不足，限制了其在高磨损环境中的使用。同样，尽管一些镍基合金涂层在耐磨性方面表现出色，但由于其中固有的碳化物的存在，它们在氯化物环境下的局部耐腐蚀性较差。因此，开发一种兼具高耐磨性和高耐腐蚀性的新型涂层材料成为解决上述问题的关键。

本研究中采用的HSLC技术是一种改进的激光熔覆方法，能够有效克服传统激光熔覆过程中材料稀释率高和熔覆效率低的问题。HSLC通过提高冷却速率和降低材料稀释率，使涂层的微观结构更加致密，同时保留了高熵合金的优异特性。这种技术特别适用于制备具有复杂成分的高熵合金涂层，因为它能够提供良好的冶金结合，确保涂层与基材之间的稳定连接。此外，HSLC还允许对涂层的厚度进行精确控制，使其在实际应用中更加灵活和高效。

在FeCoCrNiMo涂层的微观结构分析中，研究人员发现该涂层主要由面心立方（FCC）相和一种亚微米尺寸的σ相组成。这种双相结构对涂层的性能具有重要影响。维氏硬度测试结果表明，随着涂层深度的增加，其硬度显著提升，这归因于FCC亚晶粒在塑性变形过程中尺寸的减小。FCC相通常具有良好的延展性和强度，而σ相则可能影响涂层的硬度和脆性。然而，在FeCoCrNiMo涂层中，σ相的存在并未导致整体性能的下降，反而在某些方面增强了涂层的综合性能。

在耐磨性方面，FeCoCrNiMo涂层表现出显著的优势。其磨损率比Ni60、431和304涂层分别降低了51%至511%。这一优异的耐磨性主要得益于涂层中MoO?的存在，它作为固态润滑剂，有效降低了摩擦系数，从而减少了磨损。同时，MoO?在氧化层中起到了增韧作用，使涂层在摩擦过程中能够形成更稳定的氧化层，从而进一步提高了其耐磨性。这种机制使得FeCoCrNiMo涂层在氧化性磨损环境下表现出更强的稳定性。

在耐腐蚀性方面，FeCoCrNiMo涂层同样表现出色。其腐蚀电位（Ecorr）比304、431和Ni60涂层分别高出1.5至1.7倍，而腐蚀电流（Icorr）则仅为304的四分之一，431的一半，并略高于Ni60。这些结果表明，FeCoCrNiMo涂层在腐蚀环境中具有更高的稳定性，其表面形成的氧化膜能够有效阻止进一步的腐蚀反应。Mo元素的引入被认为是提高涂层耐腐蚀性的关键因素，因为它促进了Cr?O?/Cr(OH)?等保护性氧化物的形成，这些氧化物能够显著增强涂层的耐腐蚀能力。

通过对比分析，研究人员发现FeCoCrNiMo涂层在硬度、耐磨性和耐腐蚀性方面均优于传统不锈钢和镍基合金涂层。这种综合性能使其成为一种极具潜力的材料，适用于需要同时满足耐磨和耐腐蚀要求的工业场景。例如，在核能和海上平台等极端环境中，FeCoCrNiMo涂层可以为关键部件提供有效的保护，延长其使用寿命并降低维护成本。

此外，本研究还探讨了FeCoCrNiMo涂层的微观结构特征。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析，研究人员观察到FCC相与σ相之间的界面关系。FCC相与σ相之间形成了良好的结合，这种界面关系对涂层的整体性能具有重要影响。同时，涂层内部存在大量位错，这些位错在塑性变形过程中起到重要作用，有助于提高涂层的强度和硬度。然而，σ相的脆性可能在一定程度上影响涂层的韧性，因此需要进一步研究其对涂层性能的具体影响。

为了确保FeCoCrNiMo涂层的性能稳定，研究人员还对涂层的制备工艺进行了详细分析。他们使用了预合金粉末作为原料，这种粉末具有均匀的微观结构和良好的流动性，有利于在激光熔覆过程中形成高质量的涂层。此外，基材的处理也对涂层性能产生重要影响。在制备前，基材（45钢圆棒）经过打磨和超声波清洗，以去除表面的锈迹和氧化物，从而确保涂层与基材之间的良好结合。这种处理方法不仅提高了涂层的附着力，还为后续的性能测试提供了可靠的基材表面。

在实际应用中，FeCoCrNiMo涂层的性能优势使其成为一种理想的保护材料。尤其是在需要同时应对磨损和腐蚀的环境中，这种涂层能够提供更全面的防护。例如，在核能设备中，部件经常处于高温、高压和腐蚀性环境中，而FeCoCrNiMo涂层的高硬度和良好耐腐蚀性可以有效减少材料损耗，提高设备的可靠性和安全性。同样，在海上平台等高湿、高盐环境中，FeCoCrNiMo涂层的优异性能可以为关键结构提供长期的保护，降低维护成本并提高使用寿命。

尽管FeCoCrNiMo涂层表现出色，但其制备过程中仍存在一些挑战。例如，HSLC技术虽然能够有效降低材料稀释率并提高涂层密度，但在实际应用中，涂层的均匀性和稳定性仍需进一步优化。此外，涂层的微观结构可能会受到多种因素的影响，如激光功率、扫描速度和粉末粒径等，这些因素需要在实际应用中进行精确控制，以确保涂层性能的一致性。因此，未来的研究应重点关注这些工艺参数的优化，以及如何进一步提高涂层的综合性能。

总体而言，FeCoCrNiMo高熵合金涂层的开发为解决复杂工业环境下的材料保护问题提供了新的思路。通过HSLC技术，研究人员成功制备出具有优异性能的涂层，并通过系统的实验分析验证了其在硬度、耐磨性和耐腐蚀性方面的优势。这种材料的潜在应用前景广阔，特别是在核能、海洋工程和高端制造等领域。随着相关研究的深入和技术的不断进步，FeCoCrNiMo涂层有望成为未来材料科学中的重要组成部分，为工业应用提供更加可靠和高效的解决方案。