超声表面滚压处理对Ni50(AlNbTiV)50高熵合金激光熔覆层力学性能与耐蚀性的协同强化机制

针对高熵合金(HEA)激光熔覆层残余应力高、耐磨耐蚀性不足的问题，研究人员通过超声表面滚压工艺(USRP)对Ni50(AlNbTiV)50熔覆层进行表面强化。研究发现：经3次USRP处理后，材料表面硬度提升26.25%，磨损抗力提高5倍，腐蚀抗力显著增强，为航空航天等领域高性能涂层开发提供新策略。

　　

现代工业对材料性能的要求日益严苛，尤其在航空航天、海洋工程等极端环境下，传统合金已难以满足高耐磨、耐腐蚀的需求。高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)因其独特的"鸡尾酒效应"成为研究热点，其中Ni₅₀(AlNbTiV)₅₀合金通过火花等离子烧结展现出卓越耐磨性，但激光熔覆制备该材料时存在残余应力高、组织不均匀等瓶颈问题。更棘手的是，熔覆层内部残余拉应力会引发裂纹萌生，严重制约材料疲劳寿命。

为解决这一难题，上海某研究团队在《Materials Today Communications》发表研究，创新性地将超声表面滚压工艺(USRP)应用于Ni₅₀(AlNbTiV)₅₀高熵合金激光熔覆层的后处理。该技术融合超声波振动与机械滚压，能在材料表面诱导剧烈塑性变形，实现"表面纳米化-残余压应力-晶界密度提升"的协同强化。

研究采用三项关键技术：激光熔覆制备Ni₅₀(AlNbTiV)₅₀涂层（45#钢基体）、多道次USRP处理（1-3次）、结合X射线衍射应力分析/摩擦磨损测试/电化学腐蚀评估等手段系统表征性能。

微结构与残余应力
通过EBSD分析发现，原始熔覆层呈现枝晶结构（枝晶区富集Fe、Ni），存在显著残余拉应力。经USRP处理后，表层晶粒尺寸从微米级细化至纳米级（3-7nm），且形成梯度结构。特别值得注意的是，3次USRP样品在0.3mm深度产生-787.6MPa的压应力，这种"外压内拉"的应力分布可有效抑制裂纹扩展。

力学性能突破
微硬度测试显示USRP处理使表面硬度提升26.25%，划痕实验证实其磨损率降至未处理样的1/5。机理分析表明，纳米晶强化与位错增殖共同作用，同时表面粗糙度降低（Ra从3.2μm降至0.8μm）显著改善了摩擦学性能。

腐蚀行为演化
电化学测试揭示，处理后的样品腐蚀电流密度降低1个数量级。这是由于纳米晶表面促进致密钝化膜形成，且压应力抑制了Cl^-渗透。有趣的是，二次相（如Laves相）的再分布进一步削弱了局部电偶腐蚀倾向。

结论与展望
该研究证实USRP可通过"应力调控-组织细化-相态优化"三重机制协同提升HEA熔覆层性能。其中3次USRP处理使材料综合性能达到最佳平衡，为工程部件表面强化提供新思路。未来研究可探索USRP参数与多相HEA体系的构效关系，推动该技术在核电密封件、船舶轴承等场景的应用。作者团队特别感谢上海市自然科学基金（23010500800）的资助支持。