《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of Mechanical Vibration Frequency on the Microstructure and Properties of CoCrFeNi-30Y(GN)
10 High-Entropy Alloy Composite Coatings
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摘要本研究通过激光熔覆技术在Q235钢基体上制备了CoCrFeNi-30Y(GN)10高熵合金复合涂层。系统研究了机械振动频率对涂层微观结构、相组成、硬度、耐磨性及耐腐蚀性能的影响。研究结果表明，在熔覆过程中，CoNi涂层的WC颗粒有助于促进与基体的界面冶金结合。虽然机械振动不会
摘要
本研究通过激光熔覆技术在Q235钢基体上制备了CoCrFeNi-30Y(GN)10高熵合金复合涂层。系统研究了机械振动频率对涂层微观结构、相组成、硬度、耐磨性及耐腐蚀性能的影响。研究结果表明，在熔覆过程中，CoNi涂层的WC颗粒有助于促进与基体的界面冶金结合。虽然机械振动不会改变以FCC相为主的相结构，但它能有效地调控WC的分解、元素再分布以及碳化物的析出。在50赫兹的低频大振幅振动条件下，熔池中的热输入不均匀，WC分解不充分，元素扩散受限，从而导致微观结构粗化及碳化物分布不均，进而降低涂层的硬度和耐腐蚀性。而高频振动（500-1000赫兹）则能引发稳定的熔体对流，促进WC溶解以及W和C的均匀扩散，有助于碳化物（Cr23C6、Cr7C3、Fe3W3C）和Cr-W-C共晶结构的均匀析出。晶粒细化、弥散强化、固溶强化以及基体与增强相之间结合力的提升共同作用，显著增强了涂层的性能。在1000赫兹条件下制备的涂层表现出最佳的综合性能，其硬度为391.2 HV0.2，摩擦系数为0.475，磨损深度为7.80微米，腐蚀电流密度为(3.11 ± 0.0346)×10-5安培/平方厘米。
引言
随着现代工业向高负荷、高速度及极端使用环境发展，材料表面所遭受的磨损、腐蚀和疲劳损伤日益严重[1]。传统单组分合金涂层由于成分设计的限制，往往难以在严重磨损和复杂环境条件下实现长期稳定运行。因此，开发兼具高强度、高硬度及优异耐磨性的新型表面工程材料，已成为材料科学领域的重要研究方向之一。
高熵合金因其独特的多主元元素设计理念，以及由此产生的高混合熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应和“鸡尾酒”效应，具有出色的综合力学性能和良好的热稳定性[3]、[4]、[5]。其中，以CoCrFeNi体系为代表的面心立方结构高熵合金，因具备优异的延展性、韧性及良好的耐腐蚀性，成为研究最为广泛的体系之一[6]。不过，这类合金的固有强度和硬度相对较低，在严重磨损条件下容易发生严重的塑性变形和粘着磨损，这一缺陷极大地限制了其在实际工程中的应用。
为进一步提升CoCrFeNi高熵合金涂层的综合性能，研究人员通常通过引入陶瓷增强相来构建金属基复合涂层[7]、[8]、[9]。在各类增强材料中，WC因其极高的硬度和优异的耐磨性而被广泛用于金属基复合材料中[10]。WC颗粒的引入可通过增强载荷传递和弥散强化效应来提升涂层性能。但由于WC颗粒与CoCrFeNi高熵合金基体之间的热膨胀系数存在较大差异，因此在热循环过程中容易产生应力集中，进而导致涂层开裂或剥落[11]。通过在WC颗粒表面预先涂覆一层与基体兼容性更好的Co和Ni金属，可以构建功能梯度界面层，从而缓解因热膨胀系数不匹配而产生的热应力，抑制裂纹的产生[11]、[12]、[13]。
在激光熔覆过程中，增强颗粒可能会出现分布不均和部分团聚现象，这会降低涂层的微观结构均匀性及力学性能。近年来，外部场辅助调控已成为改善涂层微观结构与性能的有效手段[14]。在各种外部场调控方法中，机械振动因其简单高效的特点而备受关注。机械振动能够改变熔池流动和凝固行为，从而实现晶粒细化、减少溶质偏聚，并提升涂层的致密性[15]。王等人[16]指出，交替磁场与机械振动的联合应用能够增强熔池搅拌效果，使枝晶破碎，增加硬质相含量，进而提高涂层硬度。然而，多种外部场的叠加使得难以明确机械振动本身的独立作用机制。高等人[17]证明，振动辅助激光熔覆能够细化晶粒，提升Ni-WC涂层的硬度和耐磨性，但其背后的微观结构演变机制尚不明确。刘等人[18]进一步发现，机械振动有助于形成细小晶粒和W2C硬质相，从而提高Ni60CuMoW涂层的硬度和耐磨性。但目前的研究大多集中在传统合金体系上，尚未系统探讨机械振动对高熵合金复合涂层凝固行为及强化机制的影响。
基于上述研究背景，本研究以CoCrFeNi高熵合金作为基体，Y(GN)10颗粒作为增强相，通过激光熔覆技术制备复合涂层，并引入机械振动场来调控熔覆过程。研究重点探讨了机械振动对涂层相组成、微观结构演变、WC颗粒分布特征及界面结合行为的影响规律，同时系统分析了其对涂层显微硬度及耐磨性的影响机制。通过揭示机械振动作用下“熔池流动-颗粒分布-微观结构演变-性能提升”之间的内在关联，本研究为高性能高熵合金复合涂层的设计与制备提供了理论依据和实验支持。
章节节选
涂层的制备
实验选用尺寸为100毫米×100毫米×20毫米的Q235钢作为基体。熔覆粉料由粒径为45–105微米的市售CoCrFeNi高熵合金粉末（郑州秉研新材料科技有限公司提供）以及经过10Co10Ni处理的WC颗粒（Y(GN)10）粉末组成，二者按30%的质量比混合。激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为2500瓦，扫描速度为150厘米/分钟，粉末供给速率
相组成
图1展示了不同机械振动频率下CoCrFeNi-30Y(GN)10高熵合金复合涂层的XRD图谱。随着振动频率的升高，FCC相的衍射峰强度呈现非单调变化，先下降后上升。而相应的衍射峰位置则先向较低的衍射角移动，随后逐渐向较高角度偏移。在50赫兹的低振动频率下，相对较大的
结论
(1) WC颗粒表面的CoNi涂层有助于促进其与FCC基体之间的界面冶金结合，形成结合良好的颗粒/基体界面。机械振动虽不会改变以FCC相为主的相结构，但能够调控WC的分解、元素扩散以及碳化物的析出。低频振动（50赫兹）会导致WC分解不充分，而高频振动（500-1000赫兹）则能产生稳定且均匀的强制对流，促使WC更充分地
作者贡献声明
孙毅：软件分析。杜三明：资金获取。刘忠英：软件分析。李帅：论文撰写与修改、初稿撰写、软件应用、方法研究、数据整理。刘康宁：论文撰写与修改、初稿撰写、软件应用、方法研究、数据整理。刘欣：方法研究。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52575379）、河南省高校科技创新人才计划（项目编号：26HASTIT033）、河南省国际科技合作项目（项目编号：252102521057）以及河南省外国专家引进计划（项目编号：HNGD2025027）的资助。
Kangning Liu|Xin Liu|Zhongying Liu|Shuai Li|Yi Sun|Sanming Du
中国河南省郑州市华北水利水电大学机械工程学院，邮编450045
