激光熔覆TiZrHfNbTaMox难熔高熵合金涂层的微观结构调控与多性能协同提升机制研究

针对钛合金硬度低、耐磨性差的应用瓶颈，上海科研团队通过激光熔覆技术在TC4基体上制备TiZrHfNbTaMox RHEA涂层，系统研究Mo含量（x=0-1）对涂层微观结构、硬度、摩擦学及腐蚀性能的影响。发现Mo0.75组分在干摩擦和NaCl腐蚀磨损条件下均表现优异，揭示了氧化-粘着-磨粒磨损协同机制，为拓展钛合金在苛刻环境中的应用提供新策略。

　　

钛合金因其轻量化、耐腐蚀和生物相容性等优势，在航空航天和生物医学领域大放异彩，但先天不足的硬度和耐磨性却像阿喀琉斯之踵般制约着其更广泛应用。传统合金改性往往顾此失彼，而高熵合金(High-entropy alloys, HEA)的出现带来了破局曙光——这种由多种主元组成的"鸡尾酒"式合金，凭借高熵效应、晶格畸变等特性，能同时实现高强度与耐腐蚀的"鱼与熊掌兼得"。特别是难熔高熵合金(Refractory HEA, RHEA)，因其高熔点元素的特殊组合，在高温稳定性和机械性能方面展现出惊人潜力。

上海某研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究中，采用激光熔覆技术这一"微冶金"手段，在TC4钛合金表面制备了TiZrHfNbTaMo_x系列涂层（x=0-1）。通过精确调控钼含量，研究人员不仅破解了涂层微观结构演变的密码，更发现了Mo_0.75组分在极端工况下的"全能表现"——既能抵御砂轮的无情摩擦，又能在盐水腐蚀中岿然不动。这项研究为钛合金穿上了量身定制的"纳米铠甲"，让"娇气"的钛构件也能胜任深海钻探或航天发动机等严苛任务。

研究采用激光熔覆技术制备五组不同Mo含量的RHEA涂层，通过SEM、TEM、XRD等技术表征微观结构，结合显微硬度计、摩擦磨损试验机和电化学工作站评估性能。特别设计干滑动摩擦和3.5wt% NaCl溶液腐蚀磨损双工况实验，揭示涂层在复杂环境中的行为机制。

【XRD分析】
衍射图谱显示所有涂层均由HCP（密排六方）和BCC（体心立方）固溶体相组成。随着Mo含量增加，(002)和(110)衍射峰发生规律性偏移，布拉格方程计算证实晶面间距减小，这源于Mo原子引起的晶格畸变效应。这种"紧绷"的晶体结构为后续性能提升埋下伏笔。

【微观结构特征】
TEM观测揭开了涂层内部的"千层饼"秘密——罕见的片层状固溶体结构层层堆叠，界面处还散布着纳米级孪晶。这些微观结构像精密的防弹衣纤维，既能通过孪晶界缓解残余应力，又能通过复杂界面阻碍位错运动。特别在涂层-基体界面发现的共格孪晶，如同"分子缝合线"般增强了界面结合强度。

【硬度与耐磨性】
Mo的加入使涂层硬度呈现"芝麻开花节节高"的趋势，Mo1组别硬度达基体的3.2倍。摩擦实验显示Mo_0.75在干摩擦条件下磨损率最低，其表面形成的致密氧化膜（XPS证实含MoO₃）如同自润滑铠甲，将摩擦系数稳定在0.38。在盐水腐蚀磨损工况中，该组分同样展现出"双抗"特性，磨损机制分析揭示其通过氧化-粘着-磨粒磨损的协同作用实现保护。

【腐蚀行为】
电化学测试显示Mo1涂层在3.5wt% NaCl溶液中自腐蚀电位最高（-0.21V），腐蚀电流密度最低（1.7×10^-7 A/cm²）。EIS图谱拟合表明其表面钝化膜电阻是基体的20倍，这归因于Mo促进的致密钝化膜形成机制。

这项研究不仅证实激光熔覆技术制备RHEA涂层的可行性，更建立了"成分-结构-性能"的定量关系。Mo_0.75组分展现的"三栖"性能（力学-摩擦-腐蚀），为海洋装备、人工关节等需要多性能协同的应用场景提供了理想解决方案。研究人员特别指出，界面孪晶结构的发现为后续界面工程研究开辟了新思路，而片层状固溶体的形成机制对开发新型非平衡态合金具有重要启示。该工作获得上海市自然科学基金等项目支持，相关技术已申请专利保护。