双层辉光等离子体表面合金化W-Ta-V-Cr高熵合金涂层的组织和力学性能

供稿人：许学博、张航 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

高熵合金（HEAs）被定义为含有多种主要金属元素的高混合熵合金。基于高熵效应和原子延迟扩散效应，高熵合金更倾向于形成简单的固溶体结构。因此，高熵合金材料表现出优异的高温稳定性、高延展性和良好的断裂韧性。 高熵合金一般采用真空电弧熔炼、激光熔覆、磁控溅射等方法制备，太原理工大学的研究人员采用了制备HEAs涂层的一种新方法。双层辉光等离子体表面合金化技术(DGPSA)是一种表面合金化技术。具有操作简单、无污染;合金元素的广泛选择;渗透速度快;涂层的梯度分布和结合力良好;涂层厚度可控等优点。研究人员采用DGPSA在钨基表面制备了W-Ta-V-Cr HEA涂层，并对涂层的结构和性能进行了研究。 涂层的横截面SEM形貌和EDS元素分布如图1A、B所示。涂层组织致密，没有明显的气孔、裂纹等缺陷，与基体结合紧密。涂层成分为37.55%Ta、35.93%W、23.88%V、2.64%Cr。涂层组织由一个7.5 μm的沉积涂层(II和III区)和一个1.3 μm的互扩散涂层(I区)组成。EDS线扫描结果表明，随着涂层深度的增加，Ta、V、Cr含量降低，W含量增加，形成了梯度合金层，保证了涂层与基体的牢固结合。

图1A:涂层的横截面SEM图及相应的EDS元素分布图;B:涂层的EDS成分-深度分布图。

涂层的表面和截面显微硬度分布曲线如图2A, B所示。与基体相比，涂层的表面和截面显微硬度有明显提高。涂层的显微硬度由551 HV100g提高到1130 HV100g，由450 HV25 g提高到1232 HV25 g。这是由于BCC相固溶体的形成和纳米晶结构的晶粒细化，造成严重的晶格畸变，阻碍了位错的运动。

图2. A:表面显微硬度对各种负载的影响;B:横截面显微硬度;C:基材与涂层的摩擦系数;D:基材和涂层的磨损情况。

摩擦系数及磨损轮廓如图2C, D所示。干摩擦条件下，涂层的摩擦系数高于基体，说明涂层具有较大的粗糙度。而涂层的平均磨损率仅为基体的1/8.5，涂层的磨损率远低于基体的原因是涂层表面存在固溶体高硬度相作为强化相存在，在磨损过程中起支撑作用，能有效抵抗磨料颗粒的切削。 采用DGPSA方法可以制备致密、组织和力学性能优异的高熵合金涂层，涂层主要由BCC相组成，并且由于固溶强化和细晶强化使得表面和截面显微硬度显著提高。W-Ta-V-Cr HEA涂层的高硬度和与基体的冶金结合大大提高了其耐磨性，这对于提高采用金属增材制造成型的零件的表面力学性能有重要意义。

参考文献：
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.