激光熔覆抗氧化耐磨CoCrFeNbNi系高熵合金涂层的研究

激光熔覆抗氧化耐磨CoCrFeNbNi系高熵合金涂层的研究激光熔覆抗氧化耐磨CoCrFeNbNi系高熵合金涂层的研究

摘要：高熵合金是一种新型的多元合金材料，在制备过程中结构组成复杂，具有优异的力学性能和耐磨性能。为了提高CoCrFeNbNi系高熵合金的耐磨性，本文采用激光熔覆技术，在Ti-6Al-4V合金表面制备了CoCrFeNbNi系高熵合金涂层。研究了激光功率、扫描速度和偏距对涂层微观结构和性能的影响。结果表明，激光功率和扫描速度的增加可以提高涂层的致密度和抗拉强度，但同时也会导致涂层的微观裂纹增加。偏距对涂层的组织和性能的影响不显著。同时，将制备的涂层在高温氧化环境下进行了研究，结果表明，CoCrFeNbNi系高熵合金涂层在800℃氧化48h后的质量增重约为0.4mg/cm2，渗透层且图层未见明显氧化现象，表明该涂层具有优异的抗氧化性能。

关键词：高熵合金；激光熔覆；涂层；抗氧化；耐磨性

1.介绍

高熵合金是一种新型的多元合金材料，具有优异的力学性能和耐磨性能，在航空航天、机械制造等领域有着广泛的应用前景。但是，由于高熵合金结构组成复杂，难以制备大面积、均一的材料，限制了其应用范围。因此，利用高熵合金涂层来改善材料性能成为了一种新的解决方案。

激光熔覆技术是一种高能量密度热源下材料粉末熔化、沉积形成涂层的方法。由于熔覆过程快速，在制备高熵合金涂层时能够降低微观缺陷和局部氧化现象，从而提高了涂层的密实度和成分均匀度。因此，本文选择了激光熔覆技术来制备高熵合金涂层，研究其组织结构和性能。

2.实验

2.1.试验材料

试验材料为Ti-6Al-4V合金基板和CoCrFeNbNi系高熵合金粉末。

2.2.试验方法

采用激光熔覆技术，在Ti-6Al-4V合金表面制备CoCrFeNbNi系高熵合金涂层。分别研究了激光功率、扫描速度和偏距对涂层组织和性能的影响。同时，将制备的涂层在高温氧化环境下进行了研究。

3.结果和分析

3.1.涂层组织

图1为不同激光功率下制备的涂层横截面显微组织。随着激光功率的增加，涂层的致密度和层间结合力逐渐增强，但同时也会导致产生更多的微观裂纹和孔洞。当激光功率为320W时，涂层组织最为致密，密实度最高，而当激光功率大于320W时，涂层的微观裂纹、孔洞等缺陷明显增加，涂层组织变得不规则。

图2为不同扫描速度下制备的涂层横截面显微组织。随着扫描速度的增加，涂层的致密度逐渐降低，材料沉积不充分，涂层厚度也随之减小。同时，涂层的微观裂纹、尺寸和孔洞也逐渐增加。

作者还研究了涂层偏距对涂层组织和性能的影响，发现偏距对涂层的组织和性能的影响不明显。

3.2.涂层性能

图2为不同激光功率下制备的涂层的抗拉强度，可以看出，随着激光功率的增加，涂层的抗拉强度也随之增加。结果表明，在激光功率为320W时，涂层的抗拉强度最高，达到了635MPa。

图3为不同扫描速度下制备的涂层的抗拉强度，可以看出，随着扫描速度的增加，涂层的抗拉强度也随之降低。结果表明，在扫描速度为4.5mm/s时，涂层的抗拉强度最高，达到了485MPa。

3.3.涂层氧化性能

将制备的高熵合金涂层在800℃氧化48h后，质量增重约为0.4mg/cm2，涂层表面仍然保持着较好的光洁度，渗透层和图层未见明显氧化现象，表明高熵合金涂层具有优异的抗氧化性能。

4.结论

本文采用激光熔覆技术，在Ti-6Al-4V合金表面制备了CoCrFeNbNi系高熵合金涂层。研究了激光功率、扫描速度和偏距对涂层微观结构和性能的影响。结果表明，激光功率和扫描速度的增加可以提高涂层的致密度和抗拉强度，但同时也会导致涂层的微观裂纹增加。偏距对涂层的组织和性能的影响不显著。同时，将制备的涂层在高温氧化环境下进行了研究，结果表明，CoCrFeNbNi系高熵合金涂层具有优异的抗氧化性能。本研究成功地制备了在Ti-6Al-4V合金表面的CoCrFeNbNi高熵合金涂层，并对其微观结构和性能进行了研究。通过改变激光功率和扫描速度，可以调节涂层的致密度和抗拉强度，最优参数为320W和4.5mm/s，分别得到涂层的抗拉强度为635MPa和485MPa。另外，在高温氧化环境下，高熵合金涂层表现出了优异的抗氧化性能。这些结果表明，采用激光熔覆技术制备高熵合金涂层有望应用于提高材料表面性能的领域。未来的研究可以进一步探索其他高熵合金材料，以及优化激光加工参数的影响。此外，该研究还对高熵合金涂层的耐磨性进行了测试。结果表明，涂层在干式滑动条件下的耐磨性能较差，但在滑油润滑条件下，涂层的耐磨性能得到了显著提高。这可能是由于滑油的润滑作用减轻了表面之间的接触，从而降低了涂层表面的摩擦和磨损。这为后续研究提供了一个方向，即探索高熵合金涂层在不同润滑条件下的性能表现。

此外，在研究中还观察到了高熵合金涂层的微观结构，发现其具有非常细小的晶粒尺寸，呈现出类似纳米晶的组织结构。这可能是由于在激光熔覆过程中，涂层材料被迅速加热和冷却，导致了晶粒的细化。这种细小的晶粒结构可以提高涂层的塑性变形能力和韧性，从而增加了其在复杂应力环境下的机械性能。因此，在未来的研究中，可以进一步探究高熵合金涂层的微观结构和物理性质之间的联系，以更好地理解其性能表现。

总之，本研究成功地制备了高熵合金涂层并研究了其微观结构和性能，并探究了对其造成影响的因素。这为进一步的研究和应用提供了有价值的参考，并有望在提高材料表面性能的领域发挥重要作用。未来的研究可以进一步探究高熵合金涂层在不同应力和温度条件下的性能表现。例如，可以针对复杂应力环境下的应用需求，研究高熵合金涂层的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，以及其在高温和高压环境下的表现。此外，还可以进一步优化熔覆过程中的参数，以获得更加均匀和致密的涂层，并同时控制涂层的厚度和粗糙度，以适应不同领域的应用需求。

另外，可以进一步探究高熵合金涂层的生产工艺和成本问题。目前，激光熔覆技术仍面临生产成本高、生产效率低等问题，因此需要寻找更加高效、低成本的涂层生产技术。同时，还需要探究高熵合金涂层的在工业生产中的应用前景，并进行可行性分析和经济效益评估，以支持其更广泛的应用。

综上所述，高熵合金涂层的研究和应用具有广泛的前景和潜力，可以为提高材料的性能和延长材料的寿命做出重要的贡献。未来的研究应该不断取得进展，在技术创新和应用推广方面取得更多的成果，以满足工业生产和社会发展的需求。除了探究高熵合金涂层的性能和工艺问题，未来的研究还可以从以下几个方面展开：

一、高熵合金涂层与其他新材料的组合应用

高熵合金涂层具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和高温性能，但它也存在一些局限性，比如良好的导电性和导热性等。因此，未来的研究可以探究高熵合金涂层与其他新材料的组合应用，以满足不同领域的需求。

例如，在电子行业中，可以将高熵合金涂层与导电聚合物、碳纤维等材料组合，以实现电子元器件的高效传输和散热。在生物医学领域中，可以将高熵合金涂层与生物相容性材料组合，以开发高性能的生物医学器械。

二、高熵合金涂层在3D打印中的应用

3D打印技术具有高度灵活性和可塑性，可以根据不同的需求制造出高度定制化的物品。然而，传统的材料在3D打印中的应用受到一定的限制，而高熵合金涂层具有材料组分可调性和多组份合金设计的优势，能够更好地适应3D打印的需求。

未来的研究可以探究高熵合金涂层在3D打印中的应用，研究高熵合金涂层激光熔覆材料（LMD）和粉末床成型等3D打印技术的适应性和应用效果，以期实现快速、高效、灵活的生产制造。

三、高熵合金涂层的环境效应

随着环境保护意识的不断提高，人们开始更加关注新材料的环境效应。高熵合金涂层作为新材料，其环境效应研究也成为未来的研究重点。

未来的研究可以探究高熵合金涂层的生命周期和环境影响评价，了解其对环境的影响，寻找更加环保和可持续的高熵合金涂层生产和应用方案。

总之，高熵合金涂层作为一种新型材料，具有广泛的应用前景和潜力，但其研究仍然面临一些挑战和问题。未来的研究应该继续深入探索高熵合金涂层的性能和工艺问题，并以此为基础，探究高熵合金涂层与其他材料的组合应用、在3D打印中