多主(zhu)元(yuan)高熵(shang)合(he)(he)金的(de)(de)(de)發現打(da)破了傳統多組元(yuan)合(he)(he)金產(chan)生(sheng)復(fu)雜金屬間(jian)化(hua)合(he)(he)物的(de)(de)(de)桎梏(gu)，通過其(qi)特(te)有(you)的(de)(de)(de)高熵(shang)效(xiao)應反而會生(sheng)成(cheng)簡單且(qie)(qie)綜合(he)(he)性(xing)能優越的(de)(de)(de)相結(jie)構。激(ji)光熔(rong)覆技術制備高熵(shang)合(he)(he)金涂(tu)層是(shi)實現高熵(shang)合(he)(he)金性(xing)能的(de)(de)(de)最主(zhu)要的(de)(de)(de)途徑之(zhi)一，具有(you)變形(xing)小、致密(mi)度(du)高、稀釋率低且(qie)(qie)與基(ji)材有(you)良好的(de)(de)(de)冶金結(jie)合(he)(he)等特(te)點。本文將對(dui)激(ji)光熔(rong)覆技術制備高強硬度(du)、熱穩定(ding)及抗(kang)高溫氧化(hua)、耐磨損高熵(shang)合(he)(he)金涂(tu)層進行探究。

一(yi)、高強硬度涂層  

傳統固(gu)溶(rong)體結構(gou)有溶(rong)劑(ji)和溶(rong)質之分(fen)，而(er)高(gao)(gao)熵(shang)合(he)金(jin)(jin)涂(tu)層組織結構(gou)由于主(zhu)元含量相(xiang)近(jin)，并無此分(fen)別，進(jin)而(er)固(gu)溶(rong)強(qiang)化(hua)(hua)效應異常顯著，這就決定(ding)了涂(tu)層的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)與(yu)硬度(du)會得到顯著提(ti)高(gao)(gao)。而(er)且激光熔覆(fu)技術的(de)(de)(de)(de)超高(gao)(gao)功率及超快冷卻速率也(ye)會使(shi)涂(tu)層組織晶粒細(xi)化(hua)(hua)，兩者結合(he)可以達到相(xiang)輔相(xiang)成的(de)(de)(de)(de)作用，進(jin)一步(bu)增加涂(tu)層的(de)(de)(de)(de)強(qiang)硬度(du)，使(shi)金(jin)(jin)屬材料在工程應用中發揮(hui)出更(geng)大的(de)(de)(de)(de)作用。如(ru)圖 1 所示。高(gao)(gao)熵(shang)合(he)金(jin)(jin)與(yu)傳統合(he)金(jin)(jin)在密度(du)上差異不(bu)大，但前者具有更(geng)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)硬度(du)。

圖(tu) 1 高熵合(he)金與(yu)其他(ta)結構材料的屈服強(qiang)度(du)與(yu)密(mi)度(du)對(dui)比

二(er)、熱穩定(ding)及抗(kang)高溫氧化涂層(ceng)  

高(gao)溫(wen)(wen)氧化(hua)與高(gao)溫(wen)(wen)蠕變行為(wei)是(shi)制約(yue)金(jin)(jin)屬材料在(zai)高(gao)溫(wen)(wen)環(huan)境中服(fu)役的重要原因，隨著高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)(jin)的發展，發現許(xu)多(duo)高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)(jin)能在(zai)高(gao)溫(wen)(wen)下保持(chi)較高(gao)的強度和硬度，如圖(tu) 2 所示，部分高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)(jin)涂層的抗高(gao)溫(wen)(wen)氧化(hua)性與優質鎳基熱障涂層相當(dang)，尤其在(zai) 800℃以上高(gao)溫(wen)(wen)時，高(gao)熵(shang)合(he)金(jin)(jin)具有更明顯(xian)的優勢。

圖(tu) 2 高(gao)熔點高(gao)熵合金與(yu)傳(chuan)統鎳基(ji)高(gao)溫合金的高(gao)溫壓縮性能對(dui)比圖(tu)

使用(yong)(yong)激光熔覆(fu)技術制(zhi)備(bei)了(le)(le)FeCrxCoNiB（x=0.5，1，1.5，2，3）高熵(shang)合金(jin)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)。涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)在900℃退(tui)火(huo)(huo) 5h 前(qian)后內部相結構(gou)保持不變，均由 FCC 固溶體相和硼化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物組成，x=3時(shi)，涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)退(tui)火(huo)(huo)后硬度僅降低 6%，表明(ming)(ming)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)具有(you)良(liang)(liang)好的熱穩(wen)定及高溫(wen)(wen)抗(kang)軟(ruan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)性(xing)能(neng)。隨后將涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)加(jia)熱至 900℃并(bing)保溫(wen)(wen) 10h 隨爐(lu)冷卻，反復進行 4 次，檢測涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的高溫(wen)(wen)抗(kang)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)性(xing)能(neng)。結果顯示，五種不同 Cr 含量(liang)(liang)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的抗(kang)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)性(xing)遠高于(yu) 45 鋼基(ji)(ji)材，經 3 次氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)循(xun)環后，（x=0.5，1，1.5）涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)明(ming)(ming)顯高于(yu)（x=2，3）涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，表明(ming)(ming)后者具有(you)更(geng)好的高溫(wen)(wen)抗(kang)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)性(xing)能(neng)。Huang 等使用(yong)(yong)激光熔覆(fu)技術制(zhi)備(bei)了(le)(le) TiVCrAlSi 高熵(shang)合金(jin)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)。將涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)與基(ji)(ji)體在 880℃下退(tui)火(huo)(huo) 24h，并(bing)分別對其表面(mian)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物稱(cheng)重，結果顯示，涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的增(zeng)(zeng)重遠遠低于(yu)基(ji)(ji)材的增(zeng)(zeng)重，且(qie)隨著時(shi)間變化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)重量(liang)(liang)差逐步增(zeng)(zeng)大，說明(ming)(ming)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)具有(you)良(liang)(liang)好的抗(kang)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)性(xing)能(neng)。

三、耐腐蝕(shi)涂層(ceng)

AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy系列高(gao)熵(shang)合金的(de)耐磨(mo)(mo)性能(neng)，其(qi)耐磨(mo)(mo)性能(neng)至(zhi)少是(shi)傳統(tong)耐磨(mo)(mo)鋼的(de)兩倍。如圖 3 所示。這充分(fen)(fen)說明了部分(fen)(fen)高(gao)熵(shang)合金具(ju)有優異(yi)的(de)耐磨(mo)(mo)損性能(neng)。另外，高(gao)熵(shang)合金的(de)高(gao)強硬度、熱穩(wen)定性等特性也是(shi)其(qi)耐磨(mo)(mo)損的(de)主要原因(yin)。

圖 3 AlxCo1.5CrFeNi1.5Tiy 與傳統的耐磨鋼(gang)的耐磨性(xing)能比較

在鈦鋁(lv)合金(jin)基體(ti)上激光(guang)熔覆制備了 TiVCrAlSi 高(gao)(gao)熵(shang)合金(jin)涂層。實(shi)驗結果表明，涂層的(de)比磨(mo)損率低于基體(ti)，耐磨(mo)損性(xing)能相比基體(ti)得(de)到顯著(zhu)提高(gao)(gao)。主要原(yuan)因有兩個，其一，激光(guang)熔覆技術使涂層組織細晶強(qiang)化(hua)及高(gao)(gao)熵(shang)合金(jin)的(de)固溶強(qiang)化(hua)作用使得(de)涂層硬(ying)度顯著(zhu)提高(gao)(gao)，從而(er)耐磨(mo)性(xing)能提升其二，涂層組織中原(yuan)位生成硅化(hua)物硬(ying)質相，該相的(de)平(ping)均硬(ying)度高(gao)(gao)達 1108HV，約(yue)為基體(ti)的(de)兩倍，這是(shi)涂層耐磨(mo)性(xing)能提升的(de)主要原(yuan)因。                                

四丶展(zhan)望

高(gao)(gao)熵合(he)金(jin)(jin)具有(you)高(gao)(gao)強硬(ying)度、高(gao)(gao)塑韌性(xing)(xing)、耐磨性(xing)(xing)、高(gao)(gao)溫(wen)抗氧化(hua)性(xing)(xing)等(deng)一系列優(you)異(yi)的(de)(de)(de)(de)力(li)學性(xing)(xing)能(neng)。激(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)覆技術與(yu)高(gao)(gao)熵合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)結合(he)是(shi)表面(mian)(mian)改性(xing)(xing)技術的(de)(de)(de)(de)新嘗試也(ye)是(shi)發揮高(gao)(gao)熵合(he)金(jin)(jin)卓越性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)新方(fang)式(shi)。但是(shi)，效率(lv)問題是(shi)阻礙激(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)覆技術廣泛應用的(de)(de)(de)(de)最關鍵因素，一般(ban)激(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)覆技術的(de)(de)(de)(de)掃描(miao)速度為(wei) 0.5-2m/s，且激(ji)(ji)(ji)光(guang)光(guang)斑直徑較(jiao)小，單位時(shi)間內(nei)激(ji)(ji)(ji)光(guang)掃描(miao)面(mian)(mian)積十分(fen)有(you)限，所以設計(ji)出效率(lv)更高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)器是(shi)未來的(de)(de)(de)(de)研究重點。