摘要
高熵合金具有独特的原子结构特征，在力学方面显示出优异的性能，表现在高强、高硬、耐磨、耐蚀等。尤其近期在涂层方面的应用，已经成为新的研究热点。高熵合金涂层作为一种环保的、高附加值的、性能优异的表面改性材料，展现出极大的使用空间和潜在应用前景。 利用真空热压烧结与机械合金化法分别在Q235钢与Ni201基材表面制备了高性能的新型CoCrFeNi基高熵合金涂层。主要研究了难熔元素添加以及球磨时间对高熵合金粉末微观结构演化的影响，以获得综合性能优异的高熵合金涂层，为复杂环境下涂层的应用提供理论基础和实践依据。另外，探索了高熵合金涂层的微观结构和硬度、耐磨性及耐蚀性等性能，取得的主要结果如下： 1.利用机械合金化(MA)和真空热压烧结在Q235基材上制备了高质量的CoCrFeNiTa(1-x)(x=0,0.5)与CoCrFeNiTa+Gr（石墨烯）(Ta1+Gr)高熵合金涂层。 机械合金化120h，CoCrFeNiTa0.5(Ta0.5)为体心立方(BCC)双固溶体相，分别是富Ta-BCC1相和富(CoFe)-BCC2相。CoCrFeNiTa(Ta1)的最终球磨产物为高熵非晶相。Ta0.5高熵合金粉末粒径在20μm~40μm之间，Ta1高熵合金粉末粒度较小，在10μm~25μm之间。Ta1+Gr高熵合金粉末粒径进一步细化，在10μm~20μm之间。三种高熵合金粉末各元素含量均匀，接近名义成分。 热压烧结制备涂层的结构均匀致密，与基材结合强度高。三种涂层的相结构为双FCC固溶体相并伴有金属间化合物析出。涂层的显微硬度均高于498HV，优于基材(169.36HV)，其中Ta1+Gr高熵合金涂层最高，达到590.82HV。此外，三种涂层的摩擦系数均小于基材，表现出更好的耐磨性,其中Ta1+Gr高熵合金涂层在复式摩擦磨损条件下磨损率仅为3.01×10-5mm3/N·m，约为基材的24.08%，具有最优的耐磨性，符合耐磨性和硬度正相关的规律。根据在3.5%NaCl溶液的电化学腐蚀结果可知，涂层比基材具有更优异的综合耐蚀性，表现为较小的腐蚀电流密度(icorr)、较正的腐蚀电位(Ecorr)及较宽的钝化区(ΔEp)。 2.利用机械合金化和真空热压烧结在Ni201基材上制备了高质量的(CoCrFeNi)90-xHf10Wx(x=0,10)高熵合金涂层。 根据XRD和DSC测试结果可知，球磨时间140h的(CoCrFeNi)90Hf10(Hf10)高熵合金粉末具有FCC固溶体相和少量非晶相的混合组织，(CoCrFeNi)80Hf10W10(Hf10W10)粉末相结构是由FCC与BCC双固溶体相和少量非晶相组成。两种高熵合金粉末粒径接近，在20μm~40μm之间，成分均匀，各元素含量接近名义成分。W添加导致晶粒更加细化，且提高了粉末熔点。 涂层相结构主要由FCC固溶体与复杂金属间化合物构成。经显微硬度测试发现，涂层显微硬度均高于基材(251.45HV)，其中Hf10W10涂层显微硬度高达1131.60HV,这主要归因于FCC基体上析出了更多金属间化合物。两种涂层的摩擦系数均小于基材，对基材起到很好的保护作用，减磨作用显著。其中Hf10W10涂层的磨损率为3.10×10-11mm3/N·m，表现出优异的耐磨性。在3.5%NaCl溶液中的腐蚀环境中，两种涂层综合耐蚀性优于基材。W添加使涂层具有更小的icorr、更正的Ecorr与更宽的ΔEp，耐蚀性显著提高。 3.对MA制备的Ta0.5（Q235基材）与含HfW系（Ni201基材）高熵合金涂层的结构和性能进行了初步探索。 MA制涂层的结构均匀致密，且具有连续性。球磨120h的Ta0.5涂层具有单一BCC固溶体相。MA制Hf10和Hf10W10涂层的相结构为FCC与BCC双固溶体相。三种涂层的显微硬度均明显高于相应的基材，其中Hf10W10高熵合金涂层显微硬度高达468.19HV，是Ni201基材1.9倍。3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀结果可知，涂层的综合耐蚀性优于基材，其中Hf10涂层具有更低的icorr，一般耐蚀性提高更加明显。 4.综合比较分析本课题两种不同手段制备高熵合金涂层的结构和性能获知，MA制涂层的相结构主要有固溶体组成，而真空热压烧结制涂层的相结构更加复杂，金属化合物的数量和种类增加。这与加热条件下过饱和固溶体易于析出硬质化合物有关。尽管相比MA制涂层，热压烧结制涂层的耐磨性和硬度显示一定的优势，但前者的制备工艺可控性更强，易于操作。总之，本课题研究的两种工艺进一步拓展了高熵合金涂层制备手段的多样性，为开发其使用空间和潜在应用前景提供了必要理论指导和技术支持。
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