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(fù)雜金屬間化合物的桎梏，通過其特有的高熵效應(yīng)反而會(huì)生成簡(jiǎn)單且綜合性能優(yōu)越的相結(jié)構(gòu)。激光熔覆技術(shù)制備高熵合金涂層是實(shí)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(jié)合等特點(diǎn)。本文將對(duì)激光熔覆技術(shù)制備高強(qiáng)硬度、熱穩(wěn)定及抗高溫氧化、耐磨損高熵合金涂層進(jìn)行探究。

一、高強(qiáng)硬度涂層  

傳統(tǒng)固溶體結(jié)構(gòu)有溶劑和溶質(zhì)之分，而高熵合金涂層組織結(jié)構(gòu)由于主元含量相近，并無此分別，進(jìn)而固溶強(qiáng)化效應(yīng)異常顯著，這就決定了涂層的強(qiáng)度與硬度會(huì)得到顯著提高。而且激光熔覆技術(shù)的超高功率及超快冷卻速率也會(huì)使涂層組織晶粒細(xì)化，兩者結(jié)合可以達(dá)到相輔相成的作用，進(jìn)一步增加涂層的強(qiáng)硬度，使金屬材料在工程應(yīng)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(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度與密度對(duì)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(qiáng)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(zhì)鎳基熱障涂層相當(dāng)，尤其在 800℃以上高溫時(shí)，高熵合金具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖 2 高熔點(diǎn)高熵合金與傳統(tǒng)鎳基高溫合金的高溫壓縮性能對(duì)比圖

使用激光熔覆技術(shù)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(jié)構(gòu)保持不變，均由 FCC 固溶體相和硼化物組成，x=3時(shí)，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(fù)進(jìn)行 4 次，檢測(cè)涂層的高溫抗氧化性能。結(jié)果顯示，五種不同 Cr 含量涂層的抗氧化性遠(yuǎn)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(shù)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(duì)其表面氧化物稱重，結(jié)果顯示，涂層的增重遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基材的增重，且隨著時(shí)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)，其一，激光熔覆技術(shù)使涂層組織細(xì)晶強(qiáng)化及高熵合金的固溶強(qiáng)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(zhì)相，該相的平均硬度高達(dá) 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(qiáng)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(xué)性能。激光熔覆技術(shù)與高熵合金的結(jié)合是表面改性技術(shù)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(shù)廣泛應(yīng)用的最關(guān)鍵因素，一般激光熔覆技術(shù)的掃描速度為 0.5-2m/s，且激光光斑直徑較小，單位時(shí)間內(nèi)激光掃描面積十分有限，所以設(shè)計(jì)出效率更高的激光器是未來的研究重點(diǎn)。