Ti含量对FeCoCrNiAlSi0.2Tix高熵合金涂层微观组织、冲击滑动磨损和腐蚀行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Ti Content on Microstructure, Impact-Sliding Wear, and Corrosion Behavior of FeCoCrNiAlSi 0.2Ti x High-Entropy Alloy Coatings

　　

研究人员采用激光熔覆技术在AISI 1045钢表面制备了FeCoCrNiAlSi_0.2Ti_x（x=0.2，0.4和0.6）高熵合金（HEA）涂层，以提高表面耐磨性和耐蚀性。研究了Ti含量对相组成、微观组织、显微硬度、冲击滑动磨损行为以及在3.5 wt.% NaCl溶液中电化学腐蚀性能的影响。所有涂层均呈现体心立方（BCC）为主的相组成。Ti含量对涂层微观组织和性能产生非单调影响。Ti_0.4涂层表现出最均匀的截面和凝固组织，并具有约650–700 HV_0.2的稳定涂层区硬度。在冲击滑动磨损下，Ti_0.4的磨损体积最低，为0.4123 mm³，比AISI 1045钢基体低59.6%。电化学测量表明，Ti_0.4具有最正的腐蚀电位、最低的腐蚀电流密度5.50×10^-6 A cm^-2、最高的极化电阻6.23×10³ Ω cm²和最高的腐蚀防护效率81.03%。与Ti_0.4相比，Ti_0.6表现出更不均匀的微观组织、更高的磨损体积和更低的耐蚀性。因此，在所研究的成分范围内，x=0.4提供了微观组织均匀性、硬度稳定性、冲击滑动耐磨性和腐蚀防护的最佳组合。

**论文解读：FeCoCrNiAlSi_0.2Ti_x高熵合金涂层的Ti含量调控与性能优化**

AISI 1045钢因成本低、加工性好和强韧性平衡而广泛用于齿轮、轴和液压部件，但其表面硬度低、耐蚀性差，在摩擦磨损与腐蚀耦合的严苛环境中易发生磨粒磨损、冲击损伤和腐蚀失效，限制了长期可靠性。激光熔覆技术凭借快速凝固、低稀释率、窄热影响区和冶金结合等优势，成为制备高性能防护涂层的有效手段。高熵合金（HEA）由多种主元构成，因高构型熵、严重晶格畸变和缓慢扩散效应而兼具高强度、高硬度、耐磨和耐蚀性能。其中FeCoCrNiAl基HEA可通过合金化有效调控相组成，Cr和Ni促进钝化膜形成，而Ti的添加对相组成、微观组织和力学/腐蚀性能有显著影响，但过量Ti可能导致组织粗化、元素偏析和性能退化。因此，系统研究Ti含量在固定激光工艺下的作用规律，对优化涂层成分具有重要工程意义。该研究在《Journal of Materials Research and Technology》上发表。

研究人员在AISI 1045钢基体上通过激光熔覆制备了三种Ti含量（x=0.2、0.4和0.6）的FeCoCrNiAlSi_0.2Ti_x涂层，系统评价了成分-微观组织-硬度-冲击滑动磨损-电化学腐蚀之间的关联，发现x=0.4时涂层综合性能最优，为激光熔覆HEA涂层的Ti含量设计提供了实验依据。

**关键技术方法**：利用同步送粉激光熔覆系统在AISI 1045钢上沉积涂层，采用X射线衍射（XRD）分析相组成，扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察组织与元素分布，维氏显微硬度计测量截面硬度梯度，冲击滑动磨损试验机（旋转锰钢环作为对摩件）评估磨损行为，电化学工作站进行动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）测试。原料采用商业AISI 1045钢板和由山东凌克元素科技有限公司提供的气雾化球形FeCoCrNiAlSi_0.2预合金粉末及Ti粉。

**主要结果与讨论**：

**3.1 相组成**：XRD结果表明，三种涂层均以BCC相为主，主要衍射峰对应(110)、(200)和(211)晶面。在2θ≈28°–31°存在两个弱衍射峰U1和U2，且U2强度随Ti含量增加而增大，但无法依据现有数据明确归属为特定第二相。这一相组成结果与Ti含量相关的相演变规律一致，但未发现明显的新相析出。

**3.2 微观组织演变**：截面SEM显示，Ti_0.2涂层存在孤立气孔和局部裂纹样特征；Ti_0.4涂层致密均匀，缺陷最少；Ti_0.6涂层熔池边界不规则且局部缺陷增多。高倍组织下，Ti_0.4凝固组织更细小均匀，Ti_0.6则出现粗化和局部不均匀。EDS分析Ti_0.4界面区域，Fe、Co、Cr、Ni、Al、Si分布均匀，Ti仅有轻微局部富集，无网状偏析，证实了良好的成分均匀性。

**3.3 显微硬度与强化机制**：所有涂层硬度显著高于基体（约220–250 HV_0.2）。Ti_0.2涂层区硬度约580–600 HV_0.2，Ti_0.4和Ti_0.6约650–700 HV_0.2。其中Ti_0.4在涂层区硬度分布最稳定，热影响区硬度下降平缓；Ti_0.6表层硬度高但向热影响区下降更明显。硬度变化与Ti含量、基体稀释和激光热影响共同有关，均匀组织有助于稳定硬度梯度。

**3.4 冲击滑动磨损行为与机理**：低倍磨损形貌显示，基体出现连续深犁沟、局部剥落和大量碎屑堆积；涂层磨损明显减轻。Ti_0.4磨损表面最光滑，仅有轻微犁沟，无大面积剥落。高倍SEM进一步表明，基体发生严重磨粒磨损和剥层磨损，伴随大量松散碎屑；Ti_0.4具有连续压实磨屑层和浅犁沟，磨损损伤最轻。三维磨痕和截面轮廓定量分析显示，基体磨损体积为1.0199 mm³，Ti_0.2、Ti_0.4和Ti_0.6分别为0.4536、0.4123和0.6592 mm³；Ti_0.4磨损体积比基体低59.6%，比Ti_0.2和Ti_0.6分别低9.1%和37.5%。磨损率与磨损体积趋势一致。磨损机制包括磨粒磨损、剥层和摩擦氧化，Ti_0.4的均匀组织、低缺陷密度和稳定硬度有效抑制了塑性变形与局部剥落。

**3.5 电化学腐蚀行为与机理**：EIS结果显示，涂层电容弧直径均大于基体，Ti_0.4具有最大的电容弧和最高的低频阻抗模量，表明其界面阻挡能力最强。拟合参数中，Ti_0.4具有最高的表面膜电阻R_f（2.760×10³ Ω·cm²）和最低的常相位角元件Q_f-Y₀（1.538×10^-4），Ti_0.6的R_f降至2.277×10³ Ω·cm²。PDP测试表明，基体的E_corr为-1.03130 V（vs. SCE），i_corr为2.90×10^-5 A cm^-2；涂层的E_corr显著正移，i_corr降至5.50–6.46×10^-6 A cm^-2。Ti_0.4具有最正的E_corr（-0.45562 V）、最低的i_corr（5.50×10^-6 A cm^-2）、最高的R_p（6.23×10³ Ω·cm²）和最高的腐蚀防护效率（81.03%），耐蚀性顺序为Ti_0.4 > Ti_0.2 > Ti_0.6 > 基体。腐蚀机理示意图表明，致密均匀的涂层表面能有效阻挡Cl^-侵入，而Ti_0.6的组织不均匀和缺陷提供了优先腐蚀通道，导致耐蚀性下降。

**讨论总结**：Ti含量对涂层性能呈现非单调影响。适量Ti（x=0.4）通过细化凝固组织、减少缺陷、稳定硬度，同时提升抗冲击滑动磨损和耐蚀性能；过量Ti则导致微观组织不均匀、局部缺陷增多，削弱了阻挡性能和力学稳定性。研究结果强调了成分-组织-性能协同优化的重要性。

**结论**（翻译自原文Conclusions）：
（1）通过激光熔覆成功在AISI 1045钢上制备了FeCoCrNiAlSi_0.2Ti_x高熵合金涂层，所有涂层均以BCC相为主。Ti_0.4涂层具有最均匀的截面和凝固组织，而Ti_0.6表现出更明显的局部微观组织不均匀性。
（2）Ti添加显著提高了AISI 1045钢的表面硬度和冲击滑动磨损性能。Ti_0.4涂层保持约650–700 HV_0.2的稳定涂层区硬度，并达到最低磨损体积0.4123 mm³，较基体降低59.6%。
（3）Ti_0.4涂层在3.5 wt.% NaCl溶液中表现出最佳电化学腐蚀性能，具有最正的腐蚀电位、最低的腐蚀电流密度5.50×10^-6 A cm^-2、最高的极化电阻6.23×10³ Ω·cm²和最高的腐蚀防护效率81.03%。
（4）涂层整体性能随Ti含量呈非单调变化。在所研究范围内，x=0.4提供了微观组织均匀性、硬度稳定性、冲击滑动耐磨性和氯离子腐蚀防护的最佳匹配。