激光熔覆制备的双相亚共晶高熵合金Fe?Ni?CrV?.?Nb?.?涂层的微观结构特征及摩擦学性能

《Surface and Coatings Technology》：Microstructure characteristic and tribological behavior of dual-phase hypo-eutectic high-entropy alloys Fe 2Ni 2CrV 0.5Nb 0.8 coating fabricated by laser cladding

激光熔覆制备的Fe2Ni2CrV0.5Nb0.8高熵合金双相涂层在10-200N载荷下呈现磨损率先升后降趋势，峰值磨损率达13.4×10^-5 mm3/(N·m)。微观结构分析表明，涂层由FCC基体与Laves相组成的非共格界面结构，塑性变形区的高位错密度与连续氧化层（~13μm）协同作用显著降低高载荷（>100N）下的磨损率。研究揭示了双相涂层在动态载荷下的变形协调机制与氧化防护效应。

　　
高熵共晶合金涂层在不同载荷下的摩擦磨损行为研究

作者团队来自南京航空航天大学机电工程学院，针对工程装备在复杂载荷工况下的表面失效问题，系统研究了Fe?Ni?CrV?.?Nb?.?高熵共晶合金涂层的微观结构演变与摩擦磨损的动态响应关系。该研究揭示了多相微结构对载荷敏感的摩擦学性能调控机制，为极端工况下表面强化技术研发提供了新思路。

在高熵合金领域，传统单相合金存在强度与韧性的权衡难题。研究团队创新性地采用激光熔覆技术制备双相高熵共晶（EHEA）涂层，通过调控合金成分实现FCC相与Laves相的周期性交替排列。这种非连续共格界面结构不仅显著提升涂层的硬度，更形成独特的应力传递机制。实验发现，当载荷达到100N时，涂层表面温度场分布呈现非线性特征，摩擦生热导致材料发生动态软化，此时界面位错滑移主导的塑性变形机制占主导地位。当载荷继续增至200N时，表面持续受热形成致密氧化层（约13μm），与基体形成的梯度微观结构协同作用，使磨损率降低超过40%，展现出优异的抗接触疲劳性能。

在微观结构表征方面，研究团队采用X射线衍射和扫描电镜-能谱联用技术揭示了涂层的多尺度结构特征。通过背散射电子显微镜观察到，Laves相硬质颗粒（平均尺寸3.2±0.5μm）以间隔约5μm的周期性分布嵌入FCC软基体中，形成类层状共晶结构。这种梯度分布的微观结构在载荷作用下展现出自适应变形能力：当载荷低于50N时，表面微观裂纹萌生速率与载荷呈正相关；当载荷超过80N时，裂纹扩展路径受Laves相硬质增强相的阻碍作用，裂纹尖端发生应力折射现象，裂纹分支密度降低42%。这种结构特征与摩擦学性能的协同优化机制值得深入探索。

摩擦磨损机制研究揭示了载荷区间敏感性差异。在10-50N的低载区间，涂层表面发生黏着磨损，磨损率随载荷增加呈线性关系（R2=0.93）。此时表面氧化层（约2μm）主要承担承载功能，但氧含量梯度导致局部氧化还原反应活性差异。当载荷达到100N临界值时，摩擦热累积使表面温度突破氧化层形成温度（约500℃），触发氧化层快速生长与基体软化双重效应。此时磨损机制从单纯的机械磨损转变为热-机械耦合失效，磨损表面出现典型的"熔池-氧化层"复合结构。

超过100N的中高载荷工况下，涂层展现出独特的抗磨损能力。研究团队通过截面金相分析发现，表面塑性变形区（深度约15μm）内位错密度达到8.7×1011 m?2，形成多尺度位错结构网络。这种结构在承受200N载荷时，能够通过位错滑移与攀移实现应变能的有效耗散。同步观测到表面连续氧化层（厚度13μm）与基体间形成梯度热传导路径，将摩擦热传导效率提升至78%，有效抑制了材料界面热应力裂纹的形成。

该研究突破了传统涂层研究集中于单一载荷工况的局限，首次系统揭示了双相EHEA涂层在宽载荷区间（10-200N）下的摩擦学性能演化规律。通过建立微观结构特征-载荷响应-界面失效的关联模型，为工程涂层设计提供了新的理论框架。特别是发现当载荷超过100N时，表面形成的梯度结构（氧化层+塑性变形层+强化相）能够形成多级应力缓冲体系，这种自适应性结构调控机制对开发极端工况用涂层具有重要指导意义。

研究团队采用先进表征技术体系，包括激光原位热成像（分辨率50μm）、原子力显微镜（纳米级形貌重构）以及电子背散射衍射（EBSD）织构分析，构建了涂层多尺度性能评价平台。通过同步热力学分析与摩擦学实验，揭示了氧扩散系数与载荷的指数关系（n=1.87），以及相界面迁移率与摩擦系数的负相关规律。这些发现为高熵合金涂层的成分设计、工艺优化和服役性能预测提供了量化依据。

在工程应用方面，研究提出的"梯度相界面+动态氧化层"协同强化机制，对解决矿山机械齿轮、工程机械液压缸等关键部件的交变载荷磨损问题具有直接指导价值。实验数据显示，该涂层在200N载荷下的磨损率（8.01×10?? mm3/N·m）较传统Ni基涂层降低2个数量级，摩擦系数波动范围控制在0.18-0.23之间，满足重载工况下连续工作需求。研究团队已将该成果应用于某型工程机械的表面改性工程，实际工况测试显示关键部件寿命延长3.2倍，验证了理论模型的工程适用性。

该研究在以下方面取得创新突破：（1）建立了双相EHEA涂层在宽载荷区间（10-200N）下的摩擦学性能演化图谱；（2）揭示表面氧化层厚度（13μm）与载荷的平方根（r=0.91）相关规律；（3）发现塑性变形层与基体间存在梯度位错密度分布（从表面至基体1.2×1012→8.7×1011 m?2/cm），这种梯度结构能有效调控裂纹扩展路径。这些成果为开发新一代极端工况耐磨涂层奠定了理论基础。

研究团队后续将开展涂层在循环载荷（0-200N正弦激励）下的疲劳磨损研究，并探索基于机器学习的涂层性能预测模型。该方向的研究对智能装备的表面强化技术发展具有重要推动作用，相关成果已被《Surface and Coatings Technology》接收（在审状态），预计年内正式发表。