Zr掺杂Al0.5Ti2NbVZrx轻质难熔高熵合金涂层的相组成与摩擦学行为研究及其高温性能优化机制探索

本推荐聚焦于采用激光熔覆技术制备Al0.5Ti2NbVZrx轻质难熔高熵合金（LRHEA）涂层，系统研究Zr含量对相组成、力学性能及宽温域（25–600?°C）摩擦学行为的影响。结果表明，适量Zr（x=0.5）可抑制针状BCC析出，获得单一β相结构，并通过固溶强化、晶粒细化及致密氧化层（ZrO2/Al2O3/TiO2）形成显著提升高温耐磨性（最低磨损率3.04×10?5?mm3/(N·m)），为航空航天高温摩擦部件表面强化提供新策略。

　　

Section snippets

Preparation of coatings

在激光熔覆前，将Ti6Al4V基底（100?mm?×?100?mm?×?10?mm）用砂纸抛光并乙醇超声清洗以去除表面杂质。采用高纯度（≥?99.9%）球形元素粉末（Al、Ti、Nb、V、Zr，真空雾化法制备，粒径75–150?μm）作为熔覆原料（图1(a)）。按Al:Ti:Nb:V:Zr?=?0.5:2:1:1:x（x?=?0, 0.5, 1, 1.5）的摩尔比配料后，将粉末在行星式球磨机中以300?r/min转速混合6小时，确保成分均匀。随后，使用预置粉末法将混合粉末均匀铺在Ti6Al4V表面，厚度约1.0?mm。采用IPG YLS-6000光纤激光器（波长1.06?μm）在氩气保护（纯度99.99%，流速15?L/min）下进行激光熔覆，参数为：激光功率1.8?kW，扫描速度5?mm/s，光斑直径3?mm，搭接率50%。熔覆后试样缓慢冷却至室温，用电火花线切割取样，经标准金相制样（研磨、抛光）后，用Vega 3 LMU扫描电镜（SEM）和Rigaku SmartLab X射线衍射仪（XRD，Cu-Kα辐射，λ?=?0.15406?nm，步长0.02°，扫描范围20–90°）分析显微组织和相组成。

Phase and microstructure

高熵合金（HEA）的相形成与稳定性密切关联于热力学因素。根据Hume-Rothery规则和合金固溶体形成理论，热力学参数Ω定量描述了混合焓（ΔH_mix）和混合熵（ΔS_mix）对相稳定性的协同效应。表2和图2展示了Al_0.5Ti₂NbVZr_x轻质难熔高熵合金（LRHEA）组成元素的关键数据，包括元素对之间的混合焓。计算表明，所有组分的混合熵值均大于1.5R（R为气体常数），符合高熵合金定义。随着Zr含量增加，混合焓从-18.27?kJ/mol（x=0）升至-20.15?kJ/mol（x=1.5），而混合熵从1.29R微增至1.36R，表明Zr添加促进了原子间结合力增强和化学无序度上升。Ω值均远大于1，预示固溶体相稳定性高。原子尺寸差（δ）从5.07%（x=0）增至5.89%（x=1.5），印证Zr大原子半径（1.60??）引入的晶格畸变效应。Valence Electron Concentration（VEC）从4.65降至4.47，倾向于稳定BCC结构。XRD图谱（图3）显示所有涂层主相为BCC结构，衍射峰向低角度偏移，证实Zr添加引起晶格膨胀。Zr₀涂层中可见微弱B2有序相峰，而Zr≥1时出现Laves相（Al₂Zr型）。SEM图像（图4）揭示Zr₀涂层含针状BCC析出物和等轴晶，Zr_0.5涂层呈现单一β相等轴晶（平均晶粒尺寸~15?μm），Zr₁和Zr_1.5中则出现块状Laves相析出（尺寸1–3?μm），且晶粒细化至~8?μm。EPMA元素分布（图5）显示Zr在晶界偏聚，Nb、V均匀分布，Al、Ti富集于Laves相。综上，Zr添加通过抑制BCC析出、诱导Laves相形成和细化晶粒，显著调控微观结构演变。

Conclusions

本研究成功在Ti6Al4V基底上制备了Al_0.5Ti₂NbVZr_x（x?=?0, 0.5, 1, 1.5）系列轻质难熔高熵合金（LRHEA）涂层，并系统研究了其相组成、微观结构演变、力学性能及摩擦学行为。主要结论如下：

(1) 随Zr含量增加，Al_0.5Ti₂NbVZr_x涂层的BCC结构发生晶格膨胀和显著晶粒细化。Zr掺入有效抑制了针状BCC析出，在x=0.5时获得单一β相结构，而过量Zr（x≥1）诱发Al₂Zr型Laves相沉淀。

(2) 显微硬度从505.53?HV_0.3（Zr₀）提升至715.97?HV_0.3（Zr_1.5），纳米压痕显示抗塑性变形能力增强，主要归因于固溶强化和晶粒细化。Zr₁和Zr_1.5涂层中二次相强化效应显著。

(3) Zr_0.5涂层在25?°C、400?°C和600?°C均展现最佳耐磨性，尤其在600?°C时磨损率最低（3.04×10^?5?mm³/(N·m)）。XPS分析表明，磨损过程中表面形成了由ZrO₂、Al₂O₃和TiO₂组成的均匀致密氧化层，证实适量Zr添加增强了高温耐磨性。本研究为高温摩擦应用中的Zr掺杂LRHEA涂层设计提供了有价值指导。