激光熔覆-氮化协同增强高熵合金涂层的磨损特性与多尺度摩擦机制研究

为解决高熵合金(HEA)涂层在极端工况下的磨损机制不明确问题，研究人员通过原子模拟与实验分析相结合，系统研究了AlN氮化层/FeCoCrNiAl0.5 HEA复合涂层的摩擦演化规律。发现AlN层通过原子重排实现微塑性变形，HEA基体通过晶格畸变和位错相互作用耗散剪切应变，界面梯度应力缓冲设计显著降低摩擦系数波动幅度，为设计耐磨损多层涂层提供了原子尺度理论依据。

　　

论文解读

在航空航天、海洋工程等极端工况下，传统结构材料的磨损问题严重制约设备寿命。高熵合金(HEA)因其独特的晶格畸变效应和多元素协同作用成为革命性材料，但单纯HEA涂层的纳米级变形机制与界面行为仍不明确。更关键的是，现有实验手段难以捕捉摩擦过程中位错运动、相变等原子尺度动态过程，制约了耐磨涂层的理性设计。

针对这些挑战，中国研究人员在《Applied Surface Science》发表研究，创新性地采用激光熔覆-氮化复合工艺在38CrMoAl钢表面制备AlN/FeCoCrNiAl_0.5 HEA复合涂层。通过分子动力学(MD)模拟与实验验证相结合，首次揭示了该体系的原子尺度磨损机制。关键技术包括：激光熔覆参数优化（功率2000W/扫描速度15mm/s）、纳米压痕测试、跨尺度摩擦学表征，以及基于原子势函数的滑动模拟。

研究结果

Wear behavior and structure characteristics
纳米压痕曲线显示AlN层在0.2nm临界深度发生弹性-微塑性转变，特征力波动源于原子重排诱导的局部非晶化。滑动摩擦实验发现，当位移超过6nm时摩擦力呈现硬化特性，这是原子堆积与应力诱导AlN相变共同作用的结果。

Stress dissipation mechanism
应力分析表明HEA基体通过晶格畸变和位错相互作用有效耗散剪切应变，使基体应力降低38%。AlN-HEA界面通过化学键合与模量梯度设计形成应力缓冲层，其分层风险比直接氮化/钢体系降低62%。

Dislocation dynamics
异质界面位错动力学显示，HEA晶格内存在应力驱动的位错形核和受限滑移现象。这种独特的位错钉扎效应使应变能吸收效率提升2.1倍，解释了涂层的优异耐磨性。

结论与意义

该研究阐明了激光熔覆-氮化复合涂层的多尺度协同机制：AlN表层硬化提供初始耐磨性，HEA基体通过晶格畸变容纳塑性变形，梯度界面设计则优化应力传递路径。相比单层涂层，该体系摩擦系数波动幅度降低45%，为设计下一代耐磨涂层提供了重要理论支撑。特别值得注意的是，研究揭示的"位错形核-受限滑移"机制为开发新型高熵合金界面提供了原子尺度设计准则，在核电主轴、航天轴承等关键部件中具有广阔应用前景。