基于Scheil模拟的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金HVOF涂层定量相预测研究

本研究针对非平衡冷却过程中高熵合金（HEA）相定量预测的难题，通过Scheil模拟结合实验验证，成功实现了AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金（EHEA）HVOF涂层的相组成精准预测。研究发现涂层中FCC相占比达72.7 wt.%，与模拟结果（66.7 wt.%）高度吻合，为热喷涂EHEA涂层的材料工程设计提供了可靠工具。

　　

在材料科学领域，高熵合金（HEA）因其独特的性能成为研究热点，但传统单相HEA难以兼顾强度与塑性。共晶高熵合金（EHEA）通过多相协同效应解决了这一难题，然而热喷涂过程中非平衡冷却导致的相变控制仍是瓶颈。澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）与斯威本科技大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表论文，首次将Scheil模拟应用于AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的HVOF（高速氧燃料）涂层相定量预测。

研究采用Thermo-Calc 2024b软件进行CALPHAD（相图计算）模拟，结合GTV HVOF K2系统制备涂层，通过XRD-Rietveld精修、EBSD（电子背散射衍射）和纳米压痕等技术，系统分析了粉末与涂层的相组成、微观结构及力学性能。

3.1 粉末表征

气雾化粉末呈现层状共晶结构（FCC+B2相），小颗粒因高冷却速率形成B2枝晶。EBSD显示粉末晶粒平均尺寸4.2 μm，高位错密度区域占比不足7%。

3.2 涂层微观结构

HVOF涂层形成"未熔区保留共晶结构"与"快速凝固单相FCC区"的双重特征，FCC相含量从粉末的42.6 wt.%激增至72.7 wt.%。KAM（核平均取向差）图谱证实涂层存在显著应变积累。

3.3 热力学模拟验证

Scheil模拟预测FCC/B2相比例为66.7/32.3 wt.%，与实验结果误差<6%。垂直截面相图揭示AlCoCrFeNi_2.22为理论共晶点，与实际成分偏差仅1.3 at.% Ni。

3.4 残余应力分析

中子衍射测得涂层压缩应力达-400 MPa，其中2/3源于涂层-基体（SS316L）的热膨胀系数差异（10.7 vs 17.2×10^-6 1/K）。

3.5 力学性能

纳米压痕显示B2相硬度（11.4 GPa）显著高于FCC相（7.3 GPa），但超饱和FCC相因固溶强化达到9.5 GPa。宏观硬度465 HV_0.3介于等离子喷涂（385 HV）与冷喷涂（498 HV）之间。

3.6 摩擦学行为

涂层磨损率1.07×10^-3 mm³/N·m，摩擦系数0.68。FCC相主导的微观结构导致其耐磨性劣于BCC基HEA涂层，磨损机制以磨粒磨损为主，伴随局部摩擦氧化。

该研究突破性地证实Scheil模拟可定量预测EHEA涂层的非平衡相组成，为热喷涂工艺优化提供了理论工具。发现HVOF过程会显著增加FCC相比例，这虽提升塑性但损害耐磨性，提示未来需通过成分设计平衡相组成。中子衍射与多尺度力学表征建立的工艺-结构-性能关系，对开发新型抗磨涂层具有重要指导意义。