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(xué)性能

供稿人：許學(xué)博、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?yīng)和原子延遲擴(kuò)散效應(yīng)，高熵合金更傾向于形成簡(jiǎn)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(xué)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(jiǎn)單、無(wú)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(diǎn)。研究人員采用DGPSA在鎢基表面制備了W-Ta-V-Cr HEA涂層，并對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)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(gè)7.5 μm的沉積涂層(II和III區(qū))和一個(gè)1.3 μm的互擴(kuò)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(yīng)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(xì)化，造成嚴(yán)重的晶格畸變，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。

圖2. A:表面顯微硬度對(duì)各種負(fù)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(shuō)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(yuǎn)低于基體的原因是涂層表面存在固溶體高硬度相作為強(qiáng)化相存在，在磨損過(guò)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(xué)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(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)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(duì)于提高采用金屬增材制造成型的零件的表面力學(xué)性能有重要意義。

參考文獻(xiàn)：
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.