HVOF喷涂AlCoCrFeNiTi（0.2高熵合金）涂层的摩擦学与腐蚀性能

《Surface and Coatings Technology》：Tribological and corrosion behavior of HVOF-sprayed AlCoCrFeNiTi 0.2 high-entropy alloy coating

　　

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  通过HVOF喷涂技术在316L不锈钢上成功制备了以BCC/B2相为主的Dense AlCoCrFeNiTi_0.2高温合金（HEA）涂层。
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  HVOF喷涂过程中的快速固化使得晶粒尺寸从2.26 μm缩小到1.20 μm，显著提高了涂层的硬度和耐磨性。
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  由于晶粒细化以及BCC/B2相的强化效应，该HEA涂层的摩擦系数更低，摩擦性能更优越。
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  在NaCl溶液中，由元素偏析、孔隙和氧化物夹杂物引起的局部微电池腐蚀被确定为影响钝化膜降解和点蚀的主要因素。

引言

在日益苛刻的服务环境中，由于磨损、腐蚀和高温的影响，工程材料的表面性能容易下降，这会大大缩短其使用寿命和运营可靠性。涂层技术被视为延长关键部件寿命的有效方法，而涂层的耐磨性和耐腐蚀性是评估其工业应用潜力和未来发展前景的关键标准[1]。高温合金（HEAs）由于独特的多组分设计概念以及相关的高熵效应、晶格畸变效应和缓慢扩散效应，展现出优异的机械性能和耐磨性，因此在表面工程应用中具有巨大潜力。通过激光熔覆、热喷涂和磁控溅射等技术制备HEA涂层，不仅可以保留块体HEAs的优异性能，还能有效减少材料消耗，并克服块体合金制备过程中的限制[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。

在各种HEA体系中，基于CoCrFeNi的合金因其良好的综合性能而受到广泛研究[9]、[10]、[11]。添加Al可以增强晶格畸变并改变原子间键合特性，从而增强固溶体效应，显著提高合金的硬度和耐磨性[12]、[13]。此外，加入Mo、Si、Ti、Nb、Cu和W等合金元素可以进一步调节AlCoCrFeNi基HEA涂层的相组成和强化机制，从而进一步提高耐磨性[14]、[15]。研究表明，适量的Ti可以促进TiN和TiC等硬质陶瓷相的形成以及旋涡分解纳米结构的形成，从而显著提高涂层的微观硬度和耐磨性。同时，Ti还有助于形成保护性的钝化膜组分，如TiO₂、Al₂O₃和Cr₂O₃，这些组分有助于提高涂层的耐腐蚀性[16]、[17]。然而，过量的Ti会增加脆性Laves相的沉淀，从而在耐磨性和耐腐蚀性之间产生权衡[18]。这成为这种合金体系成分优化的一个关键挑战。

高速氧气燃料（HVOF）喷涂技术利用燃料气体和氧气在高压下的燃烧产生高温高速火焰喷射，将粉末颗粒加速并沉积在基材表面形成涂层。由于极高的颗粒速度（通常超过800 m/s），HVOF喷涂能够产生低孔隙率、高结合强度和致密微观结构的涂层，因此在表面防护领域得到广泛应用[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。对于基于AlCoCrFeNi的HEA涂层系统，该技术可以有效抑制喷涂缺陷的形成，同时保持致密的涂层结构。Mehwal等人[22]报告称，通过HVOF喷涂制备的AlCoCrFeNi HEA涂层具有良好的相保持性，主要由BCC和B2相组成，XRD图谱中未检测到氧化物或金属间化合物的衍射峰。此外，这些涂层在纳米级和微观尺度上都表现出优异的微观结构均匀性。然而，目前关于HVOF制备的AlCoCrFeNiTi基HEA涂层的研究仍主要集中在微观结构表征和耐磨性上。对其在含Cl^?环境中的腐蚀行为、钝化膜的稳定性以及微观缺陷与腐蚀机制之间关系的系统研究仍然有限。

基于以上考虑，使用HVOF喷涂技术在316L不锈钢基底上制备了AlCoCrFeNiTi_0.2 HEA涂层，并对其微观结构、机械性能、摩擦性能和耐腐蚀性进行了系统研究。通过XRD、SEM和EBSD分析了涂层的相组成和微观特征。通过纳米压痕、电化学测量和电化学阻抗谱（EIS）定量评估了其机械和电化学性能。此外，还利用X射线光电子能谱（XPS）研究了含Cl^?环境中的钝化膜组成和腐蚀机制，旨在为高性能HEA涂层的设计和工程应用提供理论基础。

章节片段

样品制备

本研究选择了316L奥氏体不锈钢作为基底材料。AlCoCrFeNiTi_0.2涂层的化学成分见表1。HVOF喷涂使用的是Oerlikon Metco（瑞士）公司的DJ2700 HVOF热喷涂系统，配备5220 JP喷枪。液燃料为航空煤油，流速为6.0 GPH（约0.38 L/min），氧气供应量为1770 SCFH（约836 L/min）。

涂层的XRD图谱和相组成

图2(a)显示了AlCoCrFeNiTi_0.2 HEA粉末和相应HVOF涂层的X射线衍射（XRD）图谱。结果显示，原始粉末和涂层主要由无序的体心立方（BCC）和有序的体心立方（B2）相组成，同时还含有少量面心立方（FCC）相。这些衍射特征与Wang等人[25]和Cheng等人[26]的报告结果一致。

摩擦和耐磨机制的协同演化

图19展示了AlCoCrFeNiTi_0.2 HEA涂层的微观结构演变和协同磨损机制。该涂层主要由BCC和B2相组成，同时还含有少量FCC相，通过HVOF喷涂过程得到了高度细化的微观结构；极快的冷却速率（10⁶–10⁸ K/s）抑制了晶粒生长，使晶粒尺寸从原料粉末的2.26 μm减小到1.20 μm[33]。这种快速固化同时引入了高密度的低角度

结论

本研究通过HVOF喷涂技术在316L不锈钢上成功沉积了AlCoCrFeNiTi_0.2 HEA涂层，并对其微观结构、机械性能、摩擦性能和耐腐蚀性进行了系统研究。

该涂层具有以BCC/B2相为主的结构，晶粒细化，因此与基底相比，硬度和耐磨性显著提高。改善的摩擦性能主要归因于高硬度和强化效应。

CRediT作者贡献声明

李兆忠：撰写——原始稿件、可视化、方法论、研究、数据整理。 向航：方法论。 张勇：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集。 史仁海：软件、形式分析。 李国强：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢中国国家自然科学基金（项目编号52371165和12275237）、福州市科学技术局（项目编号2024-Y-017、2024-SG-003和2024-SG-004）、中国教育部重点硅基材料实验室、中国教育部重点实验室、福建省汽车玻璃重点实验室、福建省智能汽车玻璃工程技术研究中心以及相关机构的财政支持。

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