Al含量对氩弧熔覆高熵合金AlCoCrFeNi系涂层组织和性能影响

摘要：利用氩弧熔敷技术，在Q235钢表面制备不同Al添加下的AlxCoCrFeNi系高熵合金涂层。通过试验研究不同Al含量对AlCoCrFeNi高熵合金涂层组织和性能的影响，确定较佳的添加比例。结果表明：随Al含量的增加，显微硬度逐渐增大，最大达620HV；自腐蚀电位先减小后增大再减少，AlCoCrFeNi耐腐蚀性最好。综合来看，添加AlCoCrFeNi高熵合金氩弧熔覆涂层综合性能最佳。

关键词：性能；显微组织；高熵合金；氩弧熔覆

1引言

Q235钢在结构件中广泛应用，但由于其强度、硬度相对较低限制其应用。为提高其表面性能，学者采用激光冲击、等离子喷涂、氩弧熔覆等进行相关研究[1-5]。高熵合金由于其多组元特性，综合性能优异，在航空航天等领域前景广泛。Al含量对涂层的组织和性能有着至关重要的影响。因此深入探究不同Al含量对Q235钢表面氩弧熔覆AlxCoCrFeNi高熵合金涂层组织和能的影响，对于优化涂层性能、拓展Q235钢应用具有重要意义。

2 试验材料及过程

2.1试验材料

基体材料为Q235钢，化学成分见表1。

选取Al、Co、Cr、Fe、Ni五种球状或近球的粉末，粒度为300目球磨球磨6小时。其粉末配比AlxCoCrFeNi，X为0.2，0.4，0.8，1.0，1.2，1.6，2.0。

2.2 试验过程

Q235钢表面氩弧熔覆不同Al添加下AlxCoCrFeNi高熵合金涂层。制备后的试件在DX-2700B型X射线衍射仪进行XRD物相分析、用IE200M显微镜观察熔覆涂层。采用MHVST-1000显微维氏硬度计进行熔覆层显微硬度测试，用CS3500 型三电极电化学工作站进行耐蚀性测试。

3 试验结果及分析

3.1XRD试验结果及分析

如图1所示为熔覆涂层XRD图谱，由图1可知随着Al含量增多衍射峰的强度增强，其晶格内部结构逐渐从FCC向BCC转变。

3.2 熔敷层显微组织形貌

如图2所示为氩弧熔覆涂层与母材结合处的显微形貌，其合金层与基体之间有一层光亮带，随着Al在熔敷层中含量的增加，析出相也更多。Al0.8CoCrFeNi出现条状产物分析可能原因是合金快速冷却的情况下，合金在饱和状态下产生调幅分解，AlCoCrFeNi时出现大量析出相，由于Al的固溶度会小于其余金属，所以会和Ni聚集在晶界处形成析出相，而Fe、Cr会聚集于晶界内部。综合来看Al加入对于晶粒的大小影响不够明显，其中AlCoCrFeNi时显微形貌最好，晶粒细密且均匀。

3.3 熔敷层显微硬度

如图3所示为熔敷层至母材显微硬度的AlxCoCrFeNi高熵合金涂层的显微硬度曲线分布曲线。涂层的显微硬度都远高于基体。随着Al元素的添加其显微显微硬度也有所增加，这是由于纳米强化和固溶强化的结果。Al2CoCrFeNi高熵合金熔覆涂层显微硬度最高为620HV、AlCoCrFeNi次之为570HV。

3.4 电化学试验结果及分析

如图4为耐蚀性的极化曲线，可知无论是基体还是熔覆涂层对应的极化曲线都出现了钝化区间，这说明在腐蚀时最先腐蚀的是其表面的钝化膜，在Al0.2含含量过少，无法割裂Cr钝化膜，保持了钝化膜的完整性。在Al含量增加以后电位先减少后增加再减少，AlCoCrFeNi自腐蚀电位最大，为-0.45mV，可能是因为在基体中有固溶强化和纳米相析出发生，晶体内部形成固溶体稳定性提高，此时的耐腐蚀性最高。Al含量过多加剧固溶体内部晶格的畸变能，空位数量变多，树枝晶内析出二次相，割裂Al2O3等钝化膜的完整性，形成电偶腐蚀，导致自腐蚀电位变小，耐腐蚀性下降。

4 结论

Q235钢表面制备的氩弧熔覆AlXCoCrFeNi系高熵合金涂层获得的主要结论如下：

（1）随着Al含量的增加，熔覆涂层组织从FCC向BCC转变；AlCoCrFeNi熔覆涂层晶粒最细小，Al2CoCrFeNi熔覆涂层的晶间内部且具有大量析出相；

（2）随着Al含量的增加，显微硬度会逐渐增大，Al2CoCrFeNi显微硬度最高达到620HV、AlCoCrFeNi次之为570HV左右；

（3）随着Al含量的增加，自腐蚀电位先减小后增大再减小，由于纳米相的生成在AlCoCrFeNil自腐蚀电位最高达-0.45mV。

综合来看，AlCoCrFeNi高熵合金氩弧熔覆涂层质量最好。

参考文献

1 石晓波，苏子龙，解恩涵，等.单/双脉冲飞秒激光冲击强化对表面性能的影响[J].表面技术，1-16

2 时海芳，李强，刘忆.Si含量对氩弧熔覆AlCuFeNiCoSix高熵合金涂层组织及性能的影响[J].材料保护，2022，55（05）：18-22.

3 时海芳，李德财，白杨，等.Ti含量对氩弧熔覆CoCrFeNiCuTix高熵合金涂层组织及性能的影响[J].材料热处理学报，2024，45（03）：82-89.

4 陈智莹，杨大伟，沈宇，等.新型氮化物强化高温合金氮化后热处理研究[J].钢铁研究学报，2024，36（02）：237-244.

5 曹甫洋，王浩权，季谦，等.大气等离子喷涂FeCoCrNiMn高熵合金涂层的耐海水腐蚀与磨损性能[J].中国腐蚀与防护学报，2024，44（06）：1529-1537.