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高熵合金涂层专栏
蒲吉斌

金属材料的失效往往从其表面开始。材料表面防护技术的发展,对经济建设、科技进步、技术革新以及学科探索具有重要意义,一直受到各界人士的重点关注。良好的材料表面保护不仅能维持其自身功能结构特性,而且能实现工件苛刻环境下高稳定长寿命运行。目前,采用镀层隔绝本体材料与介质直接相互作用是材料保护的常用手段。高熵合金是由5种或5种以上等量或大约等量的金属形成的一种新型金属材料,具有比传统合金更加优异的抗拉伸、抗氧化、耐蚀和耐磨性能,同时具有较高的强度和硬度。通过磁控溅射、激光熔覆和热喷涂等技术获得的高熵合金涂层,灵活的元素调控、结构设计和物相优化为其在耐热、耐蚀和耐磨等防护领域的应用提供了无限可能,使其在材料防护方向具有极大发展空间。

目前,高熵合金防护涂层在航空航天、核能工程、海洋工程等极端服役环境的优异性能使其得到社会各界广泛关注。为进一步推动高熵合金涂层的开发和应用,《材料保护》特开辟“高熵合金涂层”专栏,诚挚邀请了在高熵合金涂层防护领域取得重要成就的部分专家学者撰稿,并广泛征集国内外科研院校关于高熵合金涂层在表面防护领域的应用及最新研究进展。我们期望该举措能为相关领域从业人员提供更好的成果宣发和学术交流平台,促进高熵合金涂层在材料防护领域的产学研用融合创新,推动涂层防护领域高质量发展。我们热枕欢迎行业专家学者及工程技术人员继续深入交流和不吝赐稿。

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  • 高熵合金涂层专栏
    范 军, 蒲吉斌
    材料保护. 2023, 56(8): 8-17. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0181
    高温环境运动部件遭受着严重的摩擦磨损破坏,对其表面防护涂层提出了严苛要求。高熵合金具有良好的成分设计灵活性和优异的综合性能,可通过成分调控获得低摩擦系数、高耐磨涂层,从而实现高温服役部件的高效防护。为了获得高温服役运动部件低摩耐磨防护涂层,通过磁控溅射制备了VAlTiCr 基高熵合金涂层,研究了引入不同元素(Mo,W 和Si)和热处理温度(700、800 和900 ℃)对高熵合金涂层晶体结构及高温摩擦学性能的影响。结果表明:制备态VAlTiCrSi 涂层为非晶结构,而VAlTiCrMo 和VAlTiCrW 涂层均呈现BCC 固溶体结构。热处理后涂层在700 ℃大气环境的摩擦学性能测试显示,随着热处理温度的升高,3 种涂层的摩擦系数及磨损率均先降低后提高,且在800 ℃热处理后,VAlTiCrMo、VAlTiCrW 和VAlTiCrSi 涂层均具有最佳的摩擦学性能。V2O5和AlVO4等氧化物起主要润滑作用,VAlTiCrMo 涂层较VAlTiCrSi 和VAlTiCrW 涂层具有更优的摩擦学性能,其摩擦系数低至0.21,磨损率仅为9.98×10-5mm3/(N·m)。通过高熵合金涂层元素调控和热处理为获得苛刻环境高性能防护涂层的研究提供了数据参考。
  • 高熵合金涂层专栏
    吴丽欣, 刘鑫宇, 王军军
    材料保护. 2023, 56(8): 18-27. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0182
    多主元碳化物涂层作为腐蚀防护领域极具前景的候选材料,具有低摩擦系数、低磨损率和良好的耐腐蚀性能,但对其摩擦腐蚀性能的相关研究较少。为促进多主元碳化物涂层在海水环境中的应用,利用反应磁控溅射技术,通过调控基底偏压制备了(TiNbMoZrW)C 涂层。通过X 射线衍射仪、X 射线光电子能谱仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、维氏硬度计和纳米压痕仪对(TiNbMoZrW)C 涂层的微观结构和力学性能进行了系统表征,并分析了涂层在人工海水中的电化学特性和摩擦腐蚀性能。结果表明:随着脉冲偏压从0 增加到-800 V,制备的(TiNbMoZrW)C 涂层的残余压应力、硬度和弹性模量均呈现增大趋势。-800 V 偏压沉积的涂层具有最大硬度(25.9 GPa)和弹性模量(356.34 GPa),良好的抗裂性和耐腐蚀性,在人工海水和空气中具有最低的磨损率,分别为1.00×10-7和2.28×10-7mm3/(N·m)。增加偏压有利于改善(TiNbMoZrW)C 涂层在人工海水中的摩擦腐蚀性能。
  • 高熵合金涂层专栏
    刘雪松, 范 军, 蒲吉斌
    材料保护. 2023, 56(8): 28-34. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0183
    非金属掺杂高熵合金在力学性能、耐磨性和耐腐蚀性等方面性能优异,而高温低摩擦仍存在较大提升空间,利用高熵合金特性使其有望应用在高温工作运动部件实现低摩擦。通过磁控溅射法在基底表面制备了不同氧掺杂量的(VAlTiCrW)Ox高熵合金涂层,采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X 射线衍射仪、高温摩擦试验机、表面轮廓仪、3D 光学轮廓仪以及拉曼光谱表征方法对涂层的微观结构和摩擦学性能进行了评价。结果显示:随着氧掺杂量的增加,涂层由BCC(体心立方)结构逐渐转变为无定性非晶结构,涂层硬度由3.3 GPa 上升至11.9 GPa,弹性模量由97.92 GPa 上升至181.70 GPa。涂层在700 ℃时的平均摩擦系数由0.49 下降至0.39,但磨损率由1.97×10-5mm3/(N·m)增加至6.41 × 10-4mm3/(N·m),低摩擦系数是由于掺氧涂层高温下更易形成具有润滑作用的V2O5,相应地由于V2O5的软化作用导致涂层的磨损率升高。
  • 高熵合金涂层专栏
    颜邓伊, 许文举, 吉 利, 刘晓红, 王成硕, 孙初锋, 李红轩
    材料保护. 2023, 56(8): 35-49. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0184
    摘要 (829) PDF全文 (4430)   可视化   收藏
    高熵合金概念的提出不仅极大地丰富了金属材料体系,同时也打开了传统陶瓷材料的设计枷锁。近些年,随着高熵合金的快速发展,人们逐渐将多主元高熵化的设计思路扩展到陶瓷材料,开发设计出了一系列多主元高熵陶瓷材料。得益于其独特的结构以及与高熵合金相似的“四大效应”,高熵陶瓷材料表现出了一系列优异的力学、热学、摩擦学性能。从制备方法、结构特点和性能出发,主要介绍了高熵氧化物陶瓷、高熵碳化物陶瓷、高熵氮化物陶瓷和其他高熵碳氮化物、硼化物、硅化物、硫化物等的国内外研究进展,对不同体系表现出的性能特点做出分析与总结,最后对高熵陶瓷材料的发展前景进行了展望。
  • 高熵合金涂层专栏
    聂辉文, 曾松盛, 聂俊红, 赖春明
    材料保护. 2023, 56(8): 50-55. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0185
    制备各类涂层对材料表面进行强化处理是提高材料服役性能的重要途径,而通过添加不同含量硬质相有利于进一步改善涂层性能。通过选区激光熔覆工艺制备添加不同VC(碳化钒)含量的Fe50Mn30Cr10Co10高熵合金涂层材料,采用扫描电镜、X 射线衍射仪、纳米压痕仪等研究VC 含量对涂层显微组织、相结构、硬度和蠕变性能的影响。结果表明,随着VC 含量的增加,涂层组织明显细化;因VC 原子固溶在FCC(面心立方)晶格中,对涂层相结构不产生影响;因增大了固溶强化效应,故增加了涂层的硬度。特别是,随着VC 含量的增加,涂层的蠕变量减小,这十分有利于改善涂层材料的蠕变性能。这为通过添加VC 硬质相强化高熵合金涂层性能提供了重要的依据。
  • 高熵合金涂层专栏
    郭禹尧, 周永宽, 朱丽娜, 康嘉杰, 马国政
    材料保护. 2023, 56(8): 56-63. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0186
    为了研究渗氮处理对HVOF 喷涂Al1-xCoCrFeNiTix(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层组织结构和磨损性能的影响,采用HVOF 技术在35CrMo 钢基体上制备Al1-xCoCrFeNiTix(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层,然后对其进行渗氮处理。利用SEM、XRD、三维白光干涉仪以及EDS 等表征手段研究了渗氮处理对HVOF 喷涂Al1-xCoCrFeNiTix(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层组织结构和磨损性能的影响。结果表明:渗氮处理后的Al1-xCoCrFeNiTix(x=0,0.125,0.250)高熵合金涂层组织结构致密,具有典型的热喷涂层状结构,厚度约为300 ~350 μm,氮化层厚度约为10 μm,氮化层相结构为FCC 相和AlN、CrN 等氮化物相,氮化层的显微硬度分别为981 HV2N(x=0)、1 090 HV2N(x=0.125)和1 194 HV2N(x=0.250),和未经渗氮处理过的高熵合金涂层的显微硬度479 HV2N(x=0)、506 HV2N(x=0.125)、548 HV2N(x=0.250)相比有着显著的提升;并且随着Ti 含量的增加,氮化层的耐磨性增加,其中Al0.750CoCrFeNiTi0.250氮化层具有最优异的耐磨性能(2.17×10-6mm3·N-1·m-1)。Al1-xCoCrFeNiTix(x=0,0.125,0.250)氮化层的磨损失效机理主要是磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损。
  • 高熵合金涂层专栏
    姜俊杰, 辛本斌, 张爱军, 韩杰胜, 孟军虎
    材料保护. 2023, 56(8): 1-7. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0180
    为给AlxCrFeNi3Ti0.3高熵合金在摩擦磨损领域的应用提供技术支撑和理论支持,利用电弧熔炼技术制备了AlxCrFeNi3Ti0.3高熵合金,通过X 射线衍射仪、维氏硬度计、摩擦试验机、万能试验机、三维轮廊仪、扫描电镜等研究了不同Al 含量对高熵合金组织、力学与摩擦学性能的影响。结果表明:Al 的加入使高熵合金由单一的FCC相转变为FCC 和BCC 两相共存,且两相均呈现出树枝晶结构。随着Al 含量的增加,合金的密度降低,但合金的硬度、屈服强度和抗压强度显著增大,表现出优异的综合力学性能。Al 的加入显著改善了高熵合金的耐磨性能,其中Al1.2CrFeNi3Ti0.3高熵合金的室温耐磨性能较不含Al 的高熵合金提高了约8 倍,且合金的磨损机制由磨粒磨损转变为氧化磨损。其强度和硬度的提高以及磨损表面硬质氧化层的形成是合金耐磨性能改善的主要原因。