激光熔覆CoCrFeNiSnx复合涂层的强化机制：微观结构与摩擦学性能的协同优化

针对Q235钢在宽温域环境中的耐磨需求，研究人员通过激光熔覆技术制备CoCrFeNiSnx高熵合金复合涂层，揭示Sn添加通过FCC固溶体晶格畸变、Ni3Sn2异相成核及氧化膜协同作用，显著提升涂层硬度和耐磨性（室温磨损率降低89.49%，600°C氧化磨损减少63.52%），为工程耐磨部件开发提供新思路。

　　

在工业制造领域，Q235钢因其优异的塑性和韧性被广泛应用于船舶、车辆等关键部件。然而，其较低的硬度和耐磨性严重限制了在极端环境下的长期服役性能。传统表面改性技术如热喷涂、磁控溅射等存在结合强度不足或工艺复杂等问题，而激光熔覆技术凭借高冶金结合强度和快速冷却特性成为研究热点。与此同时，高熵合金(High Entropy Alloys, HEA)因其"鸡尾酒效应"和晶格畸变特性展现出卓越的力学性能，其中CoCrFeNi体系因元素相容性良好成为研究重点，但纯CoCrFeNi涂层的低硬度(约200 HV)难以满足工程需求。

针对这一技术瓶颈，来自中国的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表最新成果，创新性地引入Sn元素调控涂层性能。通过激光熔覆技术制备CoCrFeNiSn_x(x=0-1)系列涂层，系统研究Sn含量对微观结构和摩擦学性能的影响。研究发现，适量Sn添加可形成Ni₃Sn₂强化相，并通过固溶强化、细晶强化等多机制协同作用，使涂层硬度提升至787.69 HV_0.5，室温磨损率较无Sn涂层降低89.49%。更引人注目的是，在600°C高温下，SnO₂/CoO/NiO复合氧化膜与Cr₂O₃摩擦膜协同作用，使氧化磨损率较基体降低63.52%，突破传统HEA涂层高温耐磨性不足的局限。

研究采用激光熔覆技术制备涂层，通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析相组成与微观结构，利用维氏硬度计和高温摩擦磨损试验机评价力学性能，结合热力学参数计算(混合熵ΔS_mix、原子错配度δ等)预测相稳定性。

涂层制备与相组成
通过优化激光功率(2.0 kW)和扫描速度(5 mm/s)制备出无裂纹涂层。XRD分析显示所有涂层均包含面心立方(FCC)固溶体和Ni₃Sn₂相，当x=1时Ni₃Sn₂衍射峰强度显著增强。热力学计算证实Sn添加增加原子错配度(δ从4.38%升至5.21%)，促进晶格畸变强化。

微观结构演变
随着Sn含量增加，涂层组织从等轴晶逐渐转变为树枝晶结构。透射电镜(TEM)观察到Sn原子偏聚于晶界，有效阻碍位错运动。特别值得注意的是，Ni₃Sn₂颗粒作为异质形核点细化晶粒尺寸至2-5 μm，实现细晶强化。

摩擦学性能
室温磨损测试显示，Sn1涂层磨损率仅为2.5×10^-6 mm³/N·m，磨损机制从粘着磨损转变为轻微磨粒磨损。高温条件下，X射线光电子能谱(XPS)证实表面形成含SnO₂的致密氧化膜，其与Cr₂O₃重构摩擦膜共同构成保护屏障。

该研究首次阐明Sn元素在宽温域下的多尺度强化机制：室温阶段主要通过Ni₃Sn₂第二相强化和位错阻塞效应提升硬度；高温阶段则依赖动态氧化膜的自修复功能。这种"双温域自适应"特性使CoCrFeNiSn₁涂层在船舶发动机部件等复杂工况中具有重大应用潜力。研究获得湖南省创新计划(2021RC4062)和国家自然科学基金(52205243)支持，相关技术已申请专利保护。