激光熔覆CoCrFeNi2AlxTix高熵合金的共格沉淀与时效强化机制研究

针对CoCrFeNi基高熵合金涂层强塑性难以协同的挑战，研究人员通过Al/Ti共添加结合时效处理，系统研究了激光熔覆CoCrFeNi2AlxTix涂层的微观结构演变与性能优化机制。研究发现Al0.4Ti0.4涂层因L12相（12.26%）的共格沉淀强化与晶粒细化（40%）协同作用，实现了屈服强度457 MPa、延伸率35.3%的优异平衡，时效处理后抗拉强度提升48.5%至948 MPa，为高熵合金涂层设计提供了理论指导。

　　

在材料科学领域，高熵合金（HEAs）因其多主元设计和独特的高熵效应，展现出卓越的力学性能和高温稳定性，成为新一代结构材料的明星选手。然而，如何实现这类材料的强度与塑性的完美平衡，一直是困扰研究人员的难题。特别是在CoCrFeNi基高熵合金涂层中，单一强化机制往往难以兼顾两者，导致工程应用受限。传统沉淀强化虽能提升强度，但非共格界面易引发应力集中，造成塑性骤降；而单纯依赖晶界强化又难以满足高强度需求。这一"鱼与熊掌"的困境，亟需创新的材料设计策略来破解。

针对这一挑战，国内某高校的研究团队独辟蹊径，提出通过Al/Ti共添加结合时效处理的协同强化方案。他们选择CoCrFeNi₂为基体，通过精确调控Al、Ti含量（x=0-0.5），利用激光熔覆技术制备系列高熵合金涂层，系统研究共格沉淀与时效强化的协同作用机制。相关成果发表在《Surface and Coatings Technology》上，为高熵合金涂层的性能优化提供了新思路。

研究采用CALPHAD（计算相图）热力学计算指导成分设计，通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）等多尺度表征技术解析微观结构，结合拉伸试验和磨损测试评估力学性能。关键发现包括：Al/Ti添加诱导L1₂-Ni₃(Al,Ti)纳米相共格析出，促使柱状晶向等轴晶转变，实现约40%晶粒细化；Al_0.4Ti_0.4涂层因理想L1₂相分数（12.26%）获得最佳强塑性平衡；时效处理促使30-40 nm共格纳米粒子形成，通过Orowan绕过机制使抗拉强度提升48.5%。

设计思路与实验方法
研究基于CoCrFeNi系列HEAs，通过引入微量Ti/Al调整成分，保持Co、Cr、Fe等原子比的同时增加Ni含量以促进纳米共格相析出。采用激光功率1200 W、送粉速率0.8 r/min、扫描速度4 mm/s的优化参数制备涂层，通过XRD、EBSD等分析相组成与取向，TEM观察沉淀相形貌，拉伸和磨损试验评价性能。

微观结构演变
非时效状态下，x=0.4合金形成FCC基体与L1₂相复合结构，Ni₃Ti与Ni₃Al比例接近1:1，共格界面显著降低位错切过阻力。Al/Ti添加使柱状晶向等轴晶转变，晶粒尺寸减小40%，L1₂相分数随x值增加呈先升后降趋势。

力学性能优化
Al_0.4Ti_0.4涂层展现最优强塑性组合：屈服强度457 MPa，延伸率35.3%。时效处理后Al_0.5Ti_0.5涂层的L1₂相弥散度提高，抗拉强度增至948 MPa，归因于共格沉淀相-基体界面的Orowan强化机制。

磨损机制转变
未添加Al/Ti的涂层以疲劳-氧化磨损为主，而Al_0.4Ti_0.4涂层因共格沉淀强化和优化微观结构，磨损率最低（3.071×10^?4 mm³/(N·m)），主导机制转变为磨粒磨损。

这项研究创新性地揭示了共格沉淀与时效强化的协同作用机制：L1₂相通过降低界面应变能实现位错协同切过，而纳米沉淀相间距调控则激活Orowan绕过机制。这种"双管齐下"的强化策略，不仅破解了高熵合金涂层强塑性倒置的难题，更通过激光熔覆-热处理工艺联用，为工程表面强化提供了可量化的设计准则。特别是提出的"临界共格相分数"概念（~12%），为后续开发新型高熵合金涂层提供了重要参考。从应用角度看，该研究发展的成分-工艺-性能关联模型，可直接指导航空航天、能源装备等领域关键部件的表面强化设计，具有显著的工程应用价值。