用高熵合金制备耐磨涂层

高熵合金是指由五个以上的元素组元按照等原子比或接近于等原子比合金化，形成高熵固溶体相的一类合金，其热力学特点是混合熵高于合金的熔化熵。研究发现，高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等，从而成为材料科学和凝聚态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。
但是，从实用的角度看，目前高熵合金中所含的金属元素大多价格较高，如钴、镍和铬等，制备块状合金成本较高，这制约了块状高熵合金基材料的实际应用和发展。因此，以价格低廉的钢为基体，制备高性能的高熵合金涂层逐渐被人们所关注，并已取得一定的研究成果。
从已有的研究成果看，激光熔覆，高速电弧喷涂和氩弧熔覆等表面技术比较适合用于高熵合金基涂层的制备，制备出的高熵合金涂层具有良好的应用前景。例如，利用CO2横流激光器成功制备出外加WC颗粒的FeCoCrNiCu高熵合金复合涂层。高熵合金涂层在加入WC后相组成仍是简单的面心立方和体心立方两相。随着WC含量逐渐提高，体心立方相含量逐渐增加，面心立方相含量逐渐减少。在激光熔覆过程中，外加颗粒WC完全溶入的面心立方和体心立方两相中，未生成其他复杂碳化物。激光熔覆过程中的快速凝固条件有利于抑制枝晶和枝晶间的成分偏聚。随着WC含量的增加，枝晶细化作用明显，硬度增加。采用激光熔覆的方法也可以制备添加WC颗粒的FeCoNiCrB高熵合金涂层，在一定范围内，涂层的硬度和耐磨性能随着WC含量的增加而提高。据报道，利用激光熔覆法在Q235钢基体上制备AlCrFeCoCuNiTi高熵合金涂层，显微硬度最大值达1013HV，约为基体硬度的5倍，相对耐磨性最大值为3.77，且具有优异的耐蚀性。采用激光熔覆工艺在Q235钢基体上制备FeCoCrNiB高熵合金涂层，熔覆涂层致密，没有裂纹、气孔，该涂层具备相当好的抗高温软化性能，经900℃、1000℃退火后，硬度仅分别下降约7%、9%。另据报道，采用激光熔覆法在45#钢基体上制备AlCoCrNiMo高熵合金熔覆涂层，成形性良好，涂层组织平均硬度为950~1250HV，在800℃以下硬度仍可保持700HV。在实际应用方面，已有报道用激光熔覆技术在刀具表面制备了AlCrCoFeNiMoTiSi高熵合金熔覆涂层。该熔覆在高温下具有较好的稳定性，熔覆涂层后的刀具表面硬度较高，摩擦因数较小，断屑效果较好，被加工材料表面光洁度较高。
高速电弧喷涂和氩弧熔覆技术也成功用于高熵合金熔覆涂层的制备。例如，采用自动化高速电弧喷涂技术用FeCrNiCoCu粉芯丝材制备了高熵合金熔覆涂层。该涂层在热处理后表现出较为明显的回火硬化特性，随着热处理温度的升高，熔覆涂层的显微硬度显著提高，在500℃处出现极大值，耐磨性能比热处理前有显著提高。（钢研）