辛蔚等：热喷涂制备高熵合金涂层的研究现状与展望 ·175· 蚀速率远小于传统的NiCrSiB防腐涂层 用在核工业领域的CrFeNiMn高嫡合金，并通过控 超音速火焰喷涂制备的高嫡合金涂层致密且 制送粉率和气压等工艺参数来优化涂层质量.研 结合强度高，含氧化物极低，同时具有良好的力学 究表明，粉末原料由于制备过程的加工硬化含有 性能、在高温下能保持较优异且稳定的耐蚀性和 FCC相和少量的BCC相，而涂层为单一的FCC相 耐磨性，因此通常用作高温热障涂层、高温防腐涂 固溶体，如图7所示.通过调节工艺参数，获得了 层等 最优的涂层，孔隙率约为3%，涂层表面显微硬度 2.3高速电弧喷涂制备高熵合金涂层 约为314HVo.3 高速电弧喷涂是利用短接电弧熔化金属丝 材，并利用高压气体喷射至基体表面的一种方法 OFCC -Powder 由于高速电弧喷涂中粒子氧化较多，喷涂速度较 BCC —Coating 低，相变难以控制，所以对此方法制备高熵合金涂 层的研究较少 郭伟等用高速电弧喷涂在AZ91镁合金基 体表面制备了FeCrNiCoCu和FeCrNiCoCuB两种 高嫡合金涂层.研究了涂层的微观形貌、相的组 成，以及涂层的常规力学性能.研究表明，两种涂 0 60 80 100 120 层的相均为简单的FCC固溶体，且均有良好的力 26W) 学性能，其中FeCrNiCoCu和FeCrNiCoCuB高熵合 图7粉末和涂层的X射线衍射图谱 金涂层的平均显微硬度分别为408HV和346HV, Fig.7 XRD patterns of powder and coating 结合强度分别为36.9MPa和33.6MPa.梁秀兵等 Anupam等首次利用冷喷涂制备了一种 利用高速电弧喷涂制备了FeCrNiCoCu系高嫡合 AlCoCrFeNi高熵合金涂层，并研究其恒温氧化机 金涂层，研究比较了其在不同温度热处理下相结 理，目的是研究出一种适合在高温环境下服役的 构、显微形貌、显微硬度、摩擦性能的变化，热处 抗氧化高嫡合金涂层研究结果表明，涂层与喷涂 理工艺为分别在100、200、300、400、500、600、700、 粉末的相组成相同，在1100℃的环境下，该涂层 800、900℃保温2h,然后随炉冷却至室温.研究 表面形成一层氧化物可以保护基体25h,而通过 表明：涂层中除FCC相外，还含有CuNi、FeNi2、 优化工艺参数可以最大限度提高涂层质量并提高 CrNi3和少量的Fe3O4相，随热处理温度提高，涂 抗氧化性.图8为单个飞溅液滴的氧化机制原理 层表面氧化越来越严重，在500℃处显微硬度出 图，氧化首先发生在纳米品品界，随着更多的氧元 现峰值，涂层的显微形貌未发生明显的变化，只是 素进入涂层表面，氧沿着晶界扩散，铝向晶界扩 变得更加致密，在500℃时表现出最佳的耐磨损 散，导致氧化铝沿着表面和液滴内部形成.涂层表 性能 面的氧化膜存在有效地阻止了基体的进一步氧 虽然高速电弧喷涂制备的高嫡合金涂层容易 化，提高了抗氧化性 产生金属间化合物和氧化物等杂质相，但此方法 生产成本最低且便于工业上大块涂层的制备，多 Al,O,along particle, grain boundaries 应用于船舶的防腐涂层等，工业发展潜力巨大.在 接下来的研究里可以通过控制工艺参数和涂层的 后续加工工艺，得到性价比最高的涂层 如0 2.4冷喷涂制备高熵合金涂层 Nanocrystalline HEA grains 冷喷涂技术是利用高压气体使固态颗粒加速 并与固态基体发生碰撞，通过变形与基体牢固结 0 Al towards boundaries 合，而后逐渐沉积为涂层.区别于传统的热喷涂技 ◆O along boundaries 术，冷喷涂最大的特点就是工作温度低.由于不需 图8单个飞溅液滴的氧化机制原理图州 高温熔化，涂层基本能保持材料颗粒的结构和成 Fig.8 Schematic of oxidation mechanism of an individual splat!4 分，低温条件也可以减少材料发生氧化或相变 Yin等啊利用冷喷涂制备了一种FeCoNiCrMn Lehtonen等4]利用冷喷涂制备了一种可以应 高熵合金涂层并研究了涂层微观结构、摩擦性能蚀速率远小于传统的 NiCrSiB 防腐涂层. 超音速火焰喷涂制备的高熵合金涂层致密且 结合强度高，含氧化物极低，同时具有良好的力学 性能、在高温下能保持较优异且稳定的耐蚀性和 耐磨性，因此通常用作高温热障涂层、高温防腐涂 层等. 2.3    高速电弧喷涂制备高熵合金涂层 高速电弧喷涂是利用短接电弧熔化金属丝 材，并利用高压气体喷射至基体表面的一种方法. 由于高速电弧喷涂中粒子氧化较多，喷涂速度较 低，相变难以控制，所以对此方法制备高熵合金涂 层的研究较少. 郭伟等[41] 用高速电弧喷涂在 AZ91 镁合金基 体表面制备了 FeCrNiCoCu 和 FeCrNiCoCuB 两种 高熵合金涂层. 研究了涂层的微观形貌、相的组 成，以及涂层的常规力学性能. 研究表明，两种涂 层的相均为简单的 FCC 固溶体，且均有良好的力 学性能，其中 FeCrNiCoCu 和 FeCrNiCoCuB 高熵合 金涂层的平均显微硬度分别为 408 HV 和 346 HV， 结合强度分别为 36.9 MPa 和 33.6 MPa. 梁秀兵等[42] 利用高速电弧喷涂制备了 FeCrNiCoCu 系高熵合 金涂层，研究比较了其在不同温度热处理下相结 构、显微形貌、显微硬度、摩擦性能的变化. 热处 理工艺为分别在 100、200、300、400、500、600、700、 800、900 ℃ 保温 2 h，然后随炉冷却至室温. 研究 表明：涂层中除 FCC 相外，还含有 CuNi、Fe3Ni2、 Cr2Ni3 和少量的 Fe3O4 相，随热处理温度提高，涂 层表面氧化越来越严重，在 500 ℃ 处显微硬度出 现峰值，涂层的显微形貌未发生明显的变化，只是 变得更加致密，在 500 ℃ 时表现出最佳的耐磨损 性能. 虽然高速电弧喷涂制备的高熵合金涂层容易 产生金属间化合物和氧化物等杂质相，但此方法 生产成本最低且便于工业上大块涂层的制备，多 应用于船舶的防腐涂层等，工业发展潜力巨大. 在 接下来的研究里可以通过控制工艺参数和涂层的 后续加工工艺，得到性价比最高的涂层. 2.4    冷喷涂制备高熵合金涂层 冷喷涂技术是利用高压气体使固态颗粒加速 并与固态基体发生碰撞，通过变形与基体牢固结 合，而后逐渐沉积为涂层. 区别于传统的热喷涂技 术，冷喷涂最大的特点就是工作温度低. 由于不需 高温熔化，涂层基本能保持材料颗粒的结构和成 分，低温条件也可以减少材料发生氧化或相变. Lehtonen 等[43] 利用冷喷涂制备了一种可以应 用在核工业领域的 CrFeNiMn 高熵合金，并通过控 制送粉率和气压等工艺参数来优化涂层质量. 研 究表明，粉末原料由于制备过程的加工硬化含有 FCC 相和少量的 BCC 相，而涂层为单一的 FCC 相 固溶体，如图 7 所示. 通过调节工艺参数，获得了 最优的涂层，孔隙率约为 3%，涂层表面显微硬度 约为 314 HV0.3. 40 60 2θ/(°) Intensity (a.u.) 80 FCC BCC Powder Coating 100 120 图 7    粉末和涂层的 X 射线衍射图谱[43] Fig.7    XRD patterns of powder and coating[43] Anupam 等 [44] 首次利用冷喷涂制备了一 种 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层，并研究其恒温氧化机 理，目的是研究出一种适合在高温环境下服役的 抗氧化高熵合金涂层. 研究结果表明，涂层与喷涂 粉末的相组成相同，在 1100 ℃ 的环境下，该涂层 表面形成一层氧化物可以保护基体 25 h，而通过 优化工艺参数可以最大限度提高涂层质量并提高 抗氧化性. 图 8 为单个飞溅液滴的氧化机制原理 图，氧化首先发生在纳米晶晶界，随着更多的氧元 素进入涂层表面，氧沿着晶界扩散，铝向晶界扩 散，导致氧化铝沿着表面和液滴内部形成. 涂层表 面的氧化膜存在有效地阻止了基体的进一步氧 化，提高了抗氧化性. O O O O O Al2O3 along particle, grain boundaries Nanocrystalline HEA grains Al towards boundaries O along boundaries 2 μm 图 8    单个飞溅液滴的氧化机制原理图[44] Fig.8    Schematic of oxidation mechanism of an individual splat[44] Yin 等[45] 利用冷喷涂制备了一种 FeCoNiCrMn 高熵合金涂层并研究了涂层微观结构、摩擦性能 辛    蔚等： 热喷涂制备高熵合金涂层的研究现状与展望 · 175 ·