雙層輝光等離子體表面合金化W-Ta-V-Cr高熵合金涂層的組織和力學性能

供稿人：許學博、張航 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

高熵合金（HEAs）被定義為含有多種主要金屬元素的高混合熵合金?；诟哽匦驮友舆t擴散效應，高熵合金更傾向于形成簡單的固溶體結(jié)構(gòu)。因此，高熵合金材料表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、高延展性和良好的斷裂韌性。 高熵合金一般采用真空電弧熔煉、激光熔覆、磁控濺射等方法制備，太原理工大學的研究人員采用了制備HEAs涂層的一種新方法。雙層輝光等離子體表面合金化技術(shù)(DGPSA)是一種表面合金化技術(shù)。具有操作簡單、無污染;合金元素的廣泛選擇;滲透速度快;涂層的梯度分布和結(jié)合力良好;涂層厚度可控等優(yōu)點。研究人員采用DGPSA在鎢基表面制備了W-Ta-V-Cr HEA涂層，并對涂層的結(jié)構(gòu)和性能進行了研究。 涂層的橫截面SEM形貌和EDS元素分布如圖1A、B所示。涂層組織致密，沒有明顯的氣孔、裂紋等缺陷，與基體結(jié)合緊密。涂層成分為37.55%Ta、35.93%W、23.88%V、2.64%Cr。涂層組織由一個7.5 μm的沉積涂層(II和III區(qū))和一個1.3 μm的互擴散涂層(I區(qū))組成。EDS線掃描結(jié)果表明，隨著涂層深度的增加，Ta、V、Cr含量降低，W含量增加，形成了梯度合金層，保證了涂層與基體的牢固結(jié)合。

圖1A:涂層的橫截面SEM圖及相應的EDS元素分布圖;B:涂層的EDS成分-深度分布圖。

涂層的表面和截面顯微硬度分布曲線如圖2A, B所示。與基體相比，涂層的表面和截面顯微硬度有明顯提高。涂層的顯微硬度由551 HV100g提高到1130 HV100g，由450 HV25 g提高到1232 HV25 g。這是由于BCC相固溶體的形成和納米晶結(jié)構(gòu)的晶粒細化，造成嚴重的晶格畸變，阻礙了位錯的運動。

圖2. A:表面顯微硬度對各種負載的影響;B:橫截面顯微硬度;C:基材與涂層的摩擦系數(shù);D:基材和涂層的磨損情況。

摩擦系數(shù)及磨損輪廓如圖2C, D所示。干摩擦條件下，涂層的摩擦系數(shù)高于基體，說明涂層具有較大的粗糙度。而涂層的平均磨損率僅為基體的1/8.5，涂層的磨損率遠低于基體的原因是涂層表面存在固溶體高硬度相作為強化相存在，在磨損過程中起支撐作用，能有效抵抗磨料顆粒的切削。 采用DGPSA方法可以制備致密、組織和力學性能優(yōu)異的高熵合金涂層，涂層主要由BCC相組成，并且由于固溶強化和細晶強化使得表面和截面顯微硬度顯著提高。W-Ta-V-Cr HEA涂層的高硬度和與基體的冶金結(jié)合大大提高了其耐磨性，這對于提高采用金屬增材制造成型的零件的表面力學性能有重要意義。

參考文獻：
Lingmin La, Hailong Xue, Lin Qin, Weiwei Sun, Fengxiao Liang, Jing Zhang, Zhenxia Wang, Naiming Lin, Linhai Tian, Wenbo Wang, Bin Tang, Yucheng Wu,Microstructure and mechanical properties of W-Ta-V-Cr high-entropy alloy coatings by double glow plasma surface alloying,Materials Letters,Volume 307,2022,130873,ISSN 0167-577X,https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130873.