高熵合金涂层中磨损与耐腐蚀性能的优化：Al–Mo合金化的协同增强机制

《Materials & Design》：Optimization of wear and corrosion resistance in high-entropy alloy coatings: Synergistic enhancement mechanism of Al–Mo alloying

　　

研究人员通过激光熔覆在304不锈钢（304SS）基体上制备了CoCrFeNiSiAlxMo1?x高熵合金（HEA）涂层，系统调控Al/Mo比例（x = 0、0.25、0.5、0.75、1），结合实验表征与第一性原理计算，揭示了Al–Mo合金化对磨损与腐蚀性能的协同作用机制。结果表明：磨损性能在x = 0（纯Mo添加）时最优，最低磨损率达1.73×10?5 mm3·N?1·m?1，归因于σ相强化及电子局域函数（ELF）分析揭示的Mo诱导局部键合增强；耐腐蚀性在x = 0.25时最佳，最低腐蚀电流密度为1.31×10?7 A·cm?2，源于Al促进钝化膜形成与Mo稳定钝化行为的协同效应；随Al/Mo比变化，磨损与耐腐蚀性呈明显权衡关系，证明成分调控可实现激光熔覆CoCrFeNiSiAlxMo1?x涂层性能优化。

研究背景方面，海洋工程部件同时承受Cl^?介质腐蚀与机械磨损，传统合金中耐磨与耐蚀常相互排斥。CoCrFeNi基高熵合金（HEA）虽具良好塑韧性，但易形成FCC相导致耐磨不足。Si可提升硬度但腐蚀贡献有限；Mo可析出硬相并稳定钝化膜，但过量会引发偏析与微电偶腐蚀；Al可稳定BCC/B2相并助钝化，但含Cl^?环境下膜稳定性差。二者单独作用机制已有研究，但联合作用的微观结构与电子结构机制不清。该研究由Zhenlin Yang、Jia Zhong等发表于《Materials》，通过激光熔覆制备CoCrFeNiSiAl_xMo_1?x涂层，结合多尺度表征与第一性原理计算，阐明Al–Mo协同调控磨损与腐蚀的机理，为海洋环境用平衡性能涂层设计提供依据。

关键技术方法上，研究人员以304SS为基体，采用激光熔覆（1200 W、6 mm/s）制备单道单层涂层；通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜能谱（SEM-EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）分析相组成与微观结构；利用纳米压痕、维氏显微硬度、往复摩擦磨损试验（WC–Co对摩球，5 N）定量磨损；在3.5 wt% NaCl中用动电位极化测腐蚀电流密度（I_corr）；基于VASP软件包、广义梯度近似（GGA）-PBE泛函构建超胞，计算态密度（DOS）与电子局域函数（ELF）以解析电子结构。

研究结果部分，3.1节微观结构与相分析显示，随x增大VEC降低，相变由FCC+σ向BCC/B2主导演变；x=0时σ相硬（14.7 GPa）且Mo偏聚，x=0.25呈FCC+BCC/B2+σ多相，x≥0.5时FCC消失、BCC/B2占优（91.8 vol%）；EBSD表明x=0.25晶粒最细（3.54 μm），TEM确认Ni–Al富B2与Cr–Mo–Si富σ相共存。3.2节耐磨分析表明，x=0硬度最高（893.87 HV0.5）、磨损率最低（1.73×10^?5 mm³·N^?1·m^?1），σ相承载抑塑性变形，ELF显示Mo区电子局域连续增强键合；x=1时BCC/B2相无硬相承载，磨损率升至9.80×10^?5。3.3节耐腐蚀分析指出，x=0时I_corr达1.44×10^?6 A·cm^?2且点蚀沿相界扩展；x=0.25时I_corr最低（1.31×10^?7 A·cm^?2），σ相网络化和B2析出减缓微电偶，DOS显示Al的p态促氧吸附成膜、Mo的d态强局域稳膜，二者协同优化钝化。

讨论部分总结，磨损与腐蚀存在成分权衡：Mo强于耐磨（σ相+键合刚性），Al弱于耐磨但协同比单一Mo减微电偶；过量Mo致偏析损蚀，过量Al致膜不稳损蚀，x=0.25为腐蚀最优、x=0为磨损最优。结论翻译如下：（1）Al–Mo显著调控相变，x增大使FCC+σ向BCC/B2转变，晶粒等轴无强织构。（2）Mo增耐磨，x=0磨损率1.73×10^?5 mm³·N^?1·m^?1最优，σ相承载+ELF刚键区为因；Al局域离散贡献弱。（3）Al–Mo协同耐蚀，x=0.25时I_corr 1.31×10^?7 A·cm^?2最低，DOS中Al-p与Mo-d分工成膜稳膜互补增强。