Cu、Mn、Al、Mo元素掺杂对FeCrNiCoX高熵合金涂层力学与摩擦学性能的调控机制研究

为解决高熵合金(HEA)涂层硬度与耐磨性难以协同优化的问题，研究人员通过HVOF技术制备FeCoCrNiX(X=Cu/Mn/Al/Mo)涂层，结合DFT计算揭示了元素掺杂对相结构（FCC/BCC/σ相）、硬度（323-646 HV0.1）及磨损率（0.12×10?13 m3 N?1 m?1）的影响机制，为耐磨涂层设计提供电子尺度理论依据。

　　

高熵合金(HEA)作为材料科学领域的新秀，因其多主元特性带来的“鸡尾酒效应”展现出卓越的力学性能。然而，作为典型代表的FeCoCrNi合金虽具备优异塑性，却因硬度不足（仅323 HV_0.1）限制了其在耐磨领域的应用。传统熔炼法制备HEA成本高昂，而热喷涂技术（如HVOF）因其高效、低成本成为优选方案。但如何通过元素掺杂精准调控涂层性能仍存在矛盾：例如Al提升硬度却增加孔隙率，Mo增强耐磨性但可能引发脆性。这些问题的核心在于缺乏对元素作用机制的电子层面认知。

安徽高校研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究中，采用HVOF技术在TC11钛合金基体上制备了FeCoCrNiX(X=Cu/Mn/Al/Mo)系列涂层。通过XRD、SEM等表征手段结合DFT计算，系统分析了元素掺杂对相结构演变、力学性能及磨损机制的影响。

关键技术包括：1）HVOF高速氧燃料热喷涂制备五组不同成分涂层；2）XRD与显微硬度计分析相结构与力学性能；3）球-盘摩擦试验评估磨损率；4）基于VASP软件的DFT计算电子功函数(EWF)与电荷分布。

相结构与微观形貌
Cu/Mn添加维持FCC单相固溶体结构，而Al引发FCC→BCC相变，Mo促使富Cr/Mo的σ相析出。Al/Mn虽分别提升硬度至599/359 HV_0.1，却因孔隙率增加削弱耐磨性。

力学与摩擦学性能
Mo表现出最优综合性能，硬度达646 HV_{0.1，磨损率仅0.12×10^?13 m³ N^?1 m^?1，比基体降低92%。Cu通过固溶强化使磨损率降至1.64×10^?13 m³ N^?1 m^?1。}

电子结构分析
DFT计算显示Mo添加显著提高EWF（电子功函数），表明其增强原子键合强度；Al因电荷局域化导致BCC相脆性，与实验观察的孔隙率升高现象吻合。

该研究首次建立了HEA涂层“成分-电子结构-性能”的定量关联模型，阐明元素掺杂通过改变原子键合状态影响耐磨性的本质机制。Mo的优异表现归因于σ相强化与电子云重分布协同作用，而Al的负面效应揭示了硬度与韧性平衡的重要性。研究成果为航空航天等领域高性能涂层的成分设计提供了理论基石，特别是通过EWF预测耐磨性的方法具有普适性意义。