综述：功能梯度高熵合金涂层：尖端工业应用的新前沿

《Materials Today Communications》：Functionally-Graded High-Entropy Alloy Coatings: New Frontiers in Cutting Edge Industrial Applications

这篇综述系统梳理了功能梯度高熵合金（FG-HEA）涂层的研究进展，涵盖了其概念设计、制备技术（激光熔覆、定向能量沉积、物理气相沉积等）、微观结构特征以及优异的力学性能（硬度、耐磨性）和功能特性（耐腐蚀、高温氧化稳定性）。文章重点分析了成分梯度与微观结构（FCC/BCC相变、晶粒尺寸分布）的协同调控策略，指出了该领域在规模化制备、长期耐久性方面面临的挑战，并展望了其在航空航天、能源装备等极端环境下的应用前景。

　　

功能梯度高熵合金涂层：尖端工业应用的新前沿

概念与设计原理

功能梯度高熵合金（FG-HEA）涂层是一类具有成分和/或相结构连续梯度变化的先进表面工程材料。其核心设计理念在于通过调控多种主元元素（通常≥5种）的分布，在涂层厚度方向上形成平滑的过渡，从而将表层的高硬度、优异耐磨性及抗氧化性能与内层的高韧性、强基体结合力有机结合。这种梯度结构能有效缓解传统多层涂层中因性能突变引起的应力集中和界面失效问题，是实现表面性能最优化的理想策略。

FG-HEA涂层的设计通常涉及两种或多种不同成分的逐层或连续变化。例如，在靠近基体的区域富集Ni、Co等塑性较好的元素以增强涂层与基体的结合力并保证韧性；而向涂层表面则逐渐增加Al、Ti、W、Mo等元素含量，以促进硬质相（如BCC相、金属间化合物或陶瓷增强相）的形成，从而提升表面硬度和耐磨损、耐高温性能。

制备技术

FG-HEA涂层的制备方法多样，各具特色。热喷涂技术（如大气等离子喷涂APS、高速氧燃料HVOF喷涂）具有沉积速率高、可大面积制备的优点，但涂层可能存在层状结构和一定孔隙率。激光熔覆（Laser Cladding）能实现涂层与基体间的冶金结合，获得致密的微观结构，并可通过实时调整送粉成分实现精确的成分梯度控制，是制备厚层FG-HEA涂层的有效手段。定向能量沉积（DED）技术，包括激光近净成形（LENS），具有更高的设计自由度，特别适合于复杂几何形状部件的修复和功能梯度结构的制造，可实现成分的连续渐变。物理气相沉积（PVD），如磁控溅射，则擅长制备纳米尺度、成分精确可控的薄层FG-HEA涂层，表面光洁度高，但涂层厚度通常较薄。

每种技术都有其适用的场景：热喷涂适用于大型构件；激光熔覆和DED适合于要求高结合强度和复杂梯度结构的部件；PVD则适用于对涂层精度和表面质量要求极高的精密器件。

微观结构特征

FG-HEA涂层的微观结构沿厚度方向呈现显著的梯度变化，这是其优异性能的根源。相组成会随局部化学成分和凝固热历史动态演变。涂层底部（近界面处）常为单一面心立方（FCC）结构，以保证良好的韧性；随着向表面推进，体心立方（BCC）形成元素（如Mo, W, Al）含量增加，可能形成FCC+BCC双相结构或完全转变为BCC相主导的硬质表层。

晶粒形态和尺寸也呈梯度分布。快速凝固工艺（如激光熔覆）易形成胞状或树枝晶结构，且晶粒尺寸常因成分过冷和冷却速率的变化而向表面细化。PVD制备的涂层则可能呈现从界面处的等轴晶（Zone T）到表层的柱状晶（Zone I）的过渡。此外，高密度位错、纳米级化学不均匀性（如调幅分解）以及工艺引入的缺陷（如孔隙）的分布也受梯度设计的影响。成功的FG-HEA涂层通过成分的连续过渡取代尖锐界面，增强了界面结合 coherence，有效抑制了分层倾向。

力学与摩擦学性能

FG-HEA涂层展现出卓越的力学性能。其硬度通常远高于基体材料，并可沿厚度方向梯度变化。这种高硬度源于多种强化机制的叠加：固溶强化（源自多主元元素的晶格畸变）、细晶强化（源于快速凝固产生的细小晶粒）、第二相强化（如碳化物、金属间化合物）以及高密度位错。更重要的是，梯度设计巧妙地平衡了硬度与韧性。坚硬的表层抵抗磨损，而韧性的底层则吸收能量，抑制裂纹萌生和扩展，从而赋予涂层优异的断裂韧性。

在摩擦学方面，FG-HEA涂层表现出低摩擦系数和卓越的耐磨性。表层富集的硬质相有效抵抗磨粒磨损和粘着磨损。成分和微观结构的平滑梯度避免了性能突变，减少了应力集中，从而降低了涂层在循环载荷下的剥落风险。例如，AlCoCrFeNi/TiC复合梯度涂层显示出比单一AlCoCrFeNi涂层低约50%的体积磨损量。高温下的力学性能和耐磨性同样出色，难熔FG-HEA涂层（如NbMoTaW）能在超过1000°C时仍保持高硬度和抗蠕变能力。

腐蚀与氧化行为

FG-HEA涂层在恶劣化学环境和高温下表现出优异的耐腐蚀性和抗氧化性。其抗腐蚀性能得益于多主元合金易于形成致密、稳定的钝化膜（如Cr₂O₃, Al₂O₃）。功能梯度设计通过平滑电化学势的过渡，减少了微观电偶腐蚀的驱动力，从而增强了抗点蚀和缝隙腐蚀的能力。例如，表面富集Cr、Mo的CoCrFeNiMo梯度涂层在含氯离子环境中表现出优异的耐点蚀性。

在高温氧化方面，通过在设计中外层富集Al、Cr、Si等元素，FG-HEA涂层能在表面形成连续、致密且附着力强的氧化膜（如Al₂O₃），有效阻隔氧向内扩散，提供长效保护。梯度结构有助于缓解涂层与基体之间因热膨胀系数差异产生的热应力，防止氧化膜在热循环中剥落。难熔FG-HEA涂层（如TiVNbMo）在高达1100-1200°C仍能保持优异的抗氧化性能。

工业应用

FG-HEA涂层的独特性能使其在多个工业领域展现出巨大应用潜力。在航空航天领域，它们被用于燃气轮机叶片、发动机部件，以提供高温氧化保护和耐磨性。在能源领域，可用于核反应堆部件（耐辐射、耐腐蚀）和热交换器。在海洋工程和化工领域，其优异的耐海水和化学介质腐蚀性能使其适用于船舶部件、海上平台和化工反应器内壁。在工具和模具行业，FG-HEA涂层（如添加TiC或WC的体系）能显著提高切削工具、模具的表面硬度、热稳定性和使用寿命。此外，在汽车工业（如发动机部件、制动系统）和重型机械（如矿用泵阀、输送管道）中，FG-HEA涂层也正成为延长关键部件服役寿命的有效手段。

挑战与未来展望

尽管前景广阔，FG-HEA涂层的大规模应用仍面临挑战。制备工艺复杂，参数控制要求苛刻，难以保证大尺寸涂层梯度结构的均匀性和一致性。材料成分设计空间巨大，实验筛选耗时费力，需要结合CALPHAD、相场模拟和机器学习等计算工具进行高效设计。成本问题也不容忽视，许多高性能HEA含有昂贵或战略性金属元素。此外，涂层在长期服役条件下（特别是热机械疲劳、腐蚀-磨损交互作用）的耐久性和失效机理仍需深入探究。

未来研究将趋向于开发多功能一体化FG-HEA涂层，结合耐磨、耐蚀、抗氧化乃至热障性能。发展基于地球丰产元素的低成本配方、优化增材制造等近净成形技术、实现制备过程的在线监测与智能控制、以及建立准确的寿命预测模型，将是推动FG-HEA涂层走向更广泛应用的关键。