在TC4合金表面采用激光熔覆技术制备轻质耐高温高熵合金涂层的高通量设计，旨在提升其耐磨性、机械性能和抗腐蚀性能

《Surface and Coatings Technology》：High-throughput design of laser-clad lightweight refractory high-entropy alloy coating on TC4 for enhancing wear, mechanical, and corrosion performance

　　

魏鑫|夏行川|刘文凯|马雅丽|杜浩|吴浩|冯继安|丁健|王玉江

中国天津河北工业大学材料科学与工程学院高性能轧制材料与复合成形国家重点实验室，300130

摘要

为了提高TC4钛合金在苛刻工作条件下的综合服务性能，通过高通量热力学优化设计了一种轻质耐火高熵合金涂层（Al₁₉Ti₄₁Ta₁₂Nb₁₀Zr₁₈），并利用激光熔覆技术成功将其制备在TC4表面。该涂层形成了独特的纳米级相干BCC/B2结构，晶格失配度小于1%。这种定制的微观结构带来了显著的协同性能提升：涂层的纳米硬度提高了42%，弹性应变至失效（H³/E²）提高了325%，展现了出色的强度-韧性协同效应。在2–15?N的载荷范围内，磨损体积和磨损率均降低了40%以上，磨损机制从低载荷下的氧化保护转变为高载荷下的基于纳米结构的耐磨性。在腐蚀环境中，该涂层的腐蚀电流密度降低了46.1%，内层钝化膜的抗性提高了158.1%，这归因于更致密的界面和更稳定的电化学性能。本研究表明，在多主元素合金中实现纳米级结构控制是同时提高强度、损伤容忍度、耐磨性和耐腐蚀性的有效途径。

引言

Ti-6Al-4V（TC4）合金由于其出色的比强度、热稳定性和耐腐蚀性，在航空航天和海洋工程中得到了广泛应用。然而，其较差的耐磨性严重限制了关键部件的使用寿命[1]，[2]，[3]。尽管激光熔覆技术作为一种有前景的表面改性方法被提出[4]，[5]，[6]，但传统的涂层策略通常依赖于第二相强化（例如原位形成的碳化物或硼化物）来提高硬度[7]，[8]，[9]。然而，这些方法经常遇到一个根本性的权衡：虽然硬质相可以提高耐磨性，但它们也可能引入界面应力集中，并成为电偶腐蚀的场所，最终损害耐腐蚀性能[10]。

高熵合金（HEAs）由于其独特的核心效应（如严重的晶格畸变和混合效应[11]）而成为一种有前景的替代品。特别是基于3d过渡金属的HEAs（例如FeCoNiCr体系）被广泛研究用于TC4基材的激光熔覆涂层[12]。一种常见的强化策略是添加Al、Ti或Mo等元素来形成Laves相或细化晶粒，从而提高硬度和钝化性能[13]，[14]。然而，这种方法存在固有的缺点。首先，高密度和与TC4的热膨胀不匹配会导致残余应力和缺陷[15]。更根本的是，由此产生的微观结构具有非相干界面，为腐蚀攻击和微电偶腐蚀提供了路径，严重影响了长期耐久性[16]，[17]。这一关键限制表明，追求更优的HEA涂层必须从仅仅创建界面转向工程化本质稳定、低能量的相干界面。

为了克服这些限制，研究重点转向了轻质耐火高熵合金（LRHEAs），这类材料通常由轻元素（如Al、Ti、Zr）和耐火元素（如Nb、Ta、Cr）组成。这类材料本质上解决了与传统3d过渡金属HEAs相关的密度和兼容性问题[18]，[19]。更重要的是，它们的高混合熵和特定的元素组合为形成相干纳米多相结构提供了强大的热力学驱动力，例如理想的BCC/B2配置，这是实现强度和耐腐蚀性平衡的关键[20]。Liu等人[21]展示了LRHEAs实现平衡性能的潜力，他们通过激光熔覆在TC4上制备了AlCrTiNbZr LRHEA涂层。所得涂层具有原位形成的BCC/B2和Laves相的纳米层状结构，磨损率降低了66%，同时保持了良好的耐腐蚀性。然而，即使在这样的有前景的体系中，不可避免地添加Cr也会促进脆性Laves相的形成。这些沉淀物引入了非相干界面，既作为应力集中点，又成为优先腐蚀场所，从而重新引入了最佳涂层设计试图消除的异质界面相关失效机制。

为了打破这一根本障碍，无Cr的Al-Ti-Nb-Ta-Zr LRHEA体系提供了一个有吸引力的替代方案。本研究针对TC4的表面强化策略对这种成分进行了精心调整。设计利用了元素分配——其中Al、Ti和Zr富集在有序的B2相中，而Nb和Ta集中在无序的BCC相中——以促进在凝固过程中原位形成纳米级的相干BCC/B2双相结构[22]，[23]，[24]，[25]。这种形成的相干纳米结构具有低能量界面网络，并且所有主要元素都具有固有的钝化能力，旨在同时抑制位错运动、抑制裂纹扩展和通过提高化学均匀性来减轻微电偶效应[18]，[21]，[26]，[27]，[28]，[29]。尽管该体系与TC4基材和激光熔覆工艺具有优异的兼容性，但实现其全部潜力受到成分-结构-加工三重困境的阻碍。找到同时满足低密度（高Al、Ti）、无裂纹可制造性（限制Al、Ti）和稳定BCC/B2形成的成分非常困难，传统的试错方法效率低下[30]，[31]，[32]，[33]。

为了解决这一挑战，我们提出了一种综合计算设计策略，将高通量热力学筛选与多目标优化相结合。该方法旨在识别同时最小化凝固裂纹、最大化BCC/B2稳定性并实现低密度的Al-Ti-Nb-Ta-Zr成分。在这一数据驱动框架的指导下，成功制备了无裂纹的纳米级相干双相涂层。所得涂层在强度、耐磨性和耐腐蚀性方面表现出显著的协同效应，显著超过了TC4基材的性能。这项工作为设计具有平衡多性能的激光熔覆涂层提供了一种有前景的策略，突出了相干纳米结构工程在实现这一目标中的关键作用。

章节片段

成分空间的定义

成分设计基于Al-Ti-Nb-Ta-Zr体系，旨在实现极端条件下的耐腐蚀-耐磨性和强度-韧性的平衡[23]，[34]。每个元素都有特定的作用：Ti确保与TC4基材的成分兼容性；Nb和Ta稳定BCC基体，以提高高温强度和抗裂性[23]；Zr促进短程有序，并与Al协同作用，增强B2相

涂层制备过程

目标成分为Al₁₉Ti₄₁Ta₁₂Nb₁₀Zr₁₈的LRHEA涂层是通过激光熔覆在TC4基材上制备的。为了在最终沉积物中实现精确的目标成分，采用了逆向设计原料混合策略。该策略根据现有文献[47]，[48]，[49]和我们的先前校准工作[29]，预先补偿了激光处理过程中估计的3?at. % Al蒸发损失和7?at.% Ti稀释。

树枝状凝固微观结构和元素微偏析

如图5a所示，涂层与TC4基材之间具有连续的、无缺陷的冶金界面，这得益于合金本身的低凝固裂纹指数（SCI）。这一核心设计特点确保了在适当的能量输入和控制凝固条件下成功制备涂层。重叠的轨迹均匀且边界清晰，穿透深度稳定，表明激光和粉末供给控制的高稳定性。如图5b-d所示，

结论

本研究展示了一种“设计-结构-性能”综合策略，用于开发高性能激光熔覆涂层。通过高通量热力学筛选、机器学习和多目标优化的结合，设计并成功制备了新型无Cr轻质耐火高熵合金（LRHEA）涂层，其成分为Al₁₉Ti₄₁Ta₁₂Nb₁₀Zr₁₈，并在TC4基材上实现了该涂层。该涂层具有独特的BCC/B2相干纳米结构，这是

CRediT作者贡献声明

魏鑫：撰写——原始草稿、方法论、研究。 夏行川：撰写——审阅与编辑、验证、概念化。 刘文凯：资源提供。 马雅丽：资源提供。 杜浩：撰写——审阅与编辑、资源提供。 吴浩：资源提供、数据管理。 冯继安：方法论。 丁健：资金获取。 王玉江：撰写——审阅与编辑、项目管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。