激光熔覆技術制備高熵合金涂層研究進展

多主元高熵合金的發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)多組元合金產(chǎn)生復雜金屬間化合物的桎梏，通過其特有的高熵效應反而會生成簡單且綜合性能優(yōu)越的相結構。激光熔覆技術制備高熵合金涂層是實現(xiàn)高熵合金性能的最主要的途徑之一，具有變形小、致密度高、稀釋率低且與基材有良好的冶金結合等特點。本文將對激光熔覆技術制備高強硬度、熱穩(wěn)定及抗高溫氧化、耐磨損高熵合金涂層進行探究。

一、高強硬度涂層  

傳統(tǒng)固溶體結構有溶劑和溶質之分，而高熵合金涂層組織結構由于主元含量相近，并無此分別，進而固溶強化效應異常顯著，這就決定了涂層的強度與硬度會得到顯著提高。而且激光熔覆技術的超高功率及超快冷卻速率也會使涂層組織晶粒細化，兩者結合可以達到相輔相成的作用，進一步增加涂層的強硬度，使金屬材料在工程應用中發(fā)揮出更大的作用。如圖 1 所示。高熵合金與傳統(tǒng)合金在密度上差異不大，但前者具有更高的硬度。

圖 1 高熵合金與其他結構材料的屈服強度與密度對比

二、熱穩(wěn)定及抗高溫氧化涂層  

高溫氧化與高溫蠕變行為是制約金屬材料在高溫環(huán)境中服役的重要原因，隨著高熵合金的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)許多高熵合金能在高溫下保持較高的強度和硬度，如圖 2 所示，部分高熵合金涂層的抗高溫氧化性與優(yōu)質鎳基熱障涂層相當，尤其在 800℃以上高溫時，高熵合金具有更明顯的優(yōu)勢。

圖 2 高熔點高熵合金與傳統(tǒng)鎳基高溫合金的高溫壓縮性能對比圖

使用激光熔覆技術制備了FeCrxCoNiB（x=0.5，1，1.5，2，3）高熵合金涂層。涂層在900℃退火 5h 前后內(nèi)部相結構保持不變，均由 FCC 固溶體相和硼化物組成，x=3時，涂層退火后硬度僅降低 6%，表明涂層具有良好的熱穩(wěn)定及高溫抗軟化性能。隨后將涂層加熱至 900℃并保溫 10h 隨爐冷卻，反復進行 4 次，檢測涂層的高溫抗氧化性能。結果顯示，五種不同 Cr 含量涂層的抗氧化性遠高于 45 鋼基材，經(jīng) 3 次氧化循環(huán)后，（x=0.5，1，1.5）涂層的氧化物增量明顯高于（x=2，3）涂層，表明后者具有更好的高溫抗氧化性能。Huang 等使用激光熔覆技術制備了 TiVCrAlSi 高熵合金涂層。將涂層與基體在 880℃下退火 24h，并分別對其表面氧化物稱重，結果顯示，涂層的增重遠遠低于基材的增重，且隨著時間變化重量差逐步增大，說明涂層具有良好的抗氧化性能。

三、耐腐蝕涂層

AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy系列高熵合金的耐磨性能，其耐磨性能至少是傳統(tǒng)耐磨鋼的兩倍。如圖 3 所示。這充分說明了部分高熵合金具有優(yōu)異的耐磨損性能。另外，高熵合金的高強硬度、熱穩(wěn)定性等特性也是其耐磨損的主要原因。

圖 3 AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy 與傳統(tǒng)的耐磨鋼的耐磨性能比較

在鈦鋁合金基體上激光熔覆制備了 TiVCrAlSi 高熵合金涂層。實驗結果表明，涂層的比磨損率低于基體，耐磨損性能相比基體得到顯著提高。主要原因有兩個，其一，激光熔覆技術使涂層組織細晶強化及高熵合金的固溶強化作用使得涂層硬度顯著提高，從而耐磨性能提升其二，涂層組織中原位生成硅化物硬質相，該相的平均硬度高達 1108HV，約為基體的兩倍，這是涂層耐磨性能提升的主要原因。                                

四丶展望

高熵合金具有高強硬度、高塑韌性、耐磨性、高溫抗氧化性等一系列優(yōu)異的力學性能。激光熔覆技術與高熵合金的結合是表面改性技術的新嘗試也是發(fā)揮高熵合金卓越性能的新方式。但是，效率問題是阻礙激光熔覆技術廣泛應用的最關鍵因素，一般激光熔覆技術的掃描速度為 0.5-2m/s，且激光光斑直徑較小，單位時間內(nèi)激光掃描面積十分有限，所以設計出效率更高的激光器是未來的研究重點。