等离子喷涂结合搅拌摩擦加工制备高熵合金颗粒增强AZ31镁基复合材料的创新研究

本研究针对传统颗粒增强镁基复合材料(MMCs)存在的机械强度与延展性失衡、界面结合差等问题，创新性地采用等离子喷涂(APS)与搅拌摩擦加工(FSP)联用技术，成功制备AlCoCrFeNi高熵合金(HEA)颗粒增强AZ31复合材料。结果表明：该材料硬度提升49.9 HV，屈服强度(YS)增加92 MPa，延伸率提高4.5%，磨损系数降低29.2%，为高性能轻量化材料开发提供新策略。

　　

镁合金因其轻质高强的特性，在汽车、航空航天等领域备受青睐，但传统镁基复合材料(MMCs)始终面临"强度-塑性倒置"的困境。当采用Al₂O₃、SiC等陶瓷颗粒增强时，热膨胀系数失配会导致界面微裂纹；而添加纯金属颗粒又易形成脆性金属间化合物(IMC)。高熵合金(HEA)因其多主元固溶特性和优异的力学性能，为解决这一难题带来曙光，但现有制备技术存在粉末堆积、分布不均等缺陷。

针对这些挑战，研究人员创新性地将大气等离子喷涂(APS)与搅拌摩擦加工(FSP)技术相结合，首次在AZ31镁合金表面成功构建AlCoCrFeNi HEA颗粒增强层。通过微观结构表征发现，这种复合工艺使HEA颗粒均匀分散且与基体形成约500 nm的冶金扩散层，镁基体晶粒显著细化。力学测试显示：复合材料硬度达49.9 HV增幅，屈服强度(YS)提升92 MPa（其中48.9%归因于晶粒细化），抗拉强度增加43 MPa的同时延伸率反而提高4.5%。摩擦学性能方面，平均摩擦系数从基体的0.305降至0.216，磨损机制由粘着磨损转变为磨粒磨损。

关键技术方法包括：

1. 采用APS在AZ31基体上沉积200μm厚HEA涂层
2. 通过FSP实现颗粒均匀分散与界面冶金结合
3. 结合EBSD、TEM等技术分析界面结构与强化机制

【材料与方法】
研究选用热轧AZ31镁板（200×160×4 mm）为基体，气雾化法制备的AlCoCrFeNi HEA粉末（粒径5-45μm）为增强相。先通过APS预沉积涂层，再采用三轴联动FSP设备（转速1000 rpm，进给速度60 mm/min）进行加工。

【微观结构】
APS-FSP联用工艺成功消除传统开槽填粉法导致的粉末堆积缺陷。TEM显示HEA与镁基体界面形成500 nm扩散层，EDS证实存在Al、Ni等元素的梯度分布。EBSD分析表明基体晶粒尺寸从原始25μm细化至3.2μm。

【力学性能】
复合材料YS达92 MPa增幅，定量分析揭示强化机制贡献度：晶粒细化48.9%、载荷传递效应31.7%、热错配效应19.4%。独特的界面结构使材料在强度提升同时保持良好塑性。

【磨损性能】
磨损测试显示复合材料体积磨损率降低42%，磨痕形貌分析表明HEA颗粒有效阻碍磨粒犁削作用，摩擦系数降幅达29.2%。

该研究不仅开发出性能优异的HEA/镁基复合材料，更开创了APS-FSP协同制备新范式。通过前期均匀沉积与后期高效改性，解决了传统工艺对复杂构件的适应性难题，为批量生产高性能表面强化材料提供可靠方案。研究结果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，对推动轻量化材料在极端工况下的应用具有重要指导意义。