大氣等離子噴涂制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的研究現狀

馬 震，張士陶，劉正義，李文戈，阮海妮，陳美彤，趙遠濤

(1.埃地沃茲貿易(上海)有限公司，上海 201203；2.上海海事大學商船學院，上海 201306)

0 引 言

高熵合金由5種及5種以上原子分數相接近的主要元素構成[1-2]，具有高熵效應、晶格畸變效應及“雞尾酒”效應，且具有比傳統(tǒng)合金更優(yōu)異的力學性能、耐磨性能、耐腐蝕性能、抗氧化性能、物理性能和抗輻照性能等[3]。在高熵合金體系中，第四周期的4種金屬元素(鐵、鈷、鎳、鉻)可與其他元素(錳、鋁、鉬、鈦及非金屬元素等)構成高性能的FeCoNiCr系高熵合金體系[4-5]，例如：與鉬元素形成的FeCoNiCrMo合金因具有晶格畸變效應而具備優(yōu)異的力學性能；鋁元素在氧化過程中能生成致密的Al2O3保護膜，可賦予FeCoNiCrAl合金優(yōu)異的抗氧化性能[6]。

近年來，隨著表面工程領域需求的不斷提升，FeCoNiCr系高熵合金也逐漸用于制備涂層[7]，相應的涂層制備方法包括激光熔覆[8]、熱噴涂[9]、冷噴涂[10]、磁控濺射[11]、電化學沉積[12]等，且相關研究日益增多。大氣等離子噴涂(Atmospheric plasma spraying, APS)工藝屬于熱噴涂的一種，因具有工藝穩(wěn)定、效率高、涂層質量高、噴涂原料種類多及工業(yè)化應用程度高等優(yōu)點，已被用于FeCoNiCr系高熵合金涂層的制備及研究[13]。目前國內外學者主要針對APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的組織結構、高熵合金成分選擇及涂層性能等方面進行了研究[14-15]。為了給相關研究人員提供參考，作者綜述了APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的研究進展，主要總結了現有研究重點、成果及相關理論基礎，明確了現有研究的不足及相應解決路線，并基于現有研究對APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的未來研究與應用方向進行了展望。

1 FeCoNiCr系高熵合金涂層成分選擇

1.1 元素選擇

目前有錳、鋁、鉬、鈦、鈮等金屬元素及硅等非金屬元素被用于FeCoNiCr系高熵合金涂層的APS制備。其中，單獨添加鋁、鈦或硅元素的FeCoNiCr系高熵合金涂層因制備工藝成熟、結構完整、性能優(yōu)異而被廣泛研究和應用[7,9]。ANG等[3]采用APS方法制備了FeCoNiCrAl合金涂層，發(fā)現鋁元素具有穩(wěn)定FeCoNiCrAl合金體心立方(BCC)結構的作用，但在噴涂過程中隨著鋁元素的氧化消耗，FeCoNiCrAl合金涂層中BCC相的含量降低。熊偉[16]在FeCoNiCrAl合金的成分基礎上添加鈦或硅元素，采用APS工藝制備了FeCoNiCrAlTi和FeCoNiCrAlSi 高熵合金涂層，兩種合金涂層均由BCC結構的主相和面心立方(FCC)結構的次相組成，其中FeCoNiCrAlTi涂層以Fe-Cr基BCC結構為主，而FeCoNiCrAlSi涂層則以Co-Fe基BCC結構為主。XIAO等[17]采用APS工藝制備了FeCoNiCrSiAlx(x=0.5,1.0,1.5，物質的量比，下同)高熵合金涂層，發(fā)現鋁含量變化未引起涂層晶格結構產生明顯變化，但隨著鋁元素含量的增加，涂層的晶格畸變程度增加。

另外，ANG等[3]采用APS方法制備了FeCoNiCrMn合金涂層，發(fā)現錳元素促使FeCoNiCrMn合金形成了穩(wěn)定的FCC結構相，減少了涂層中BCC結構相的出現。但XIAO等[18]采用APS方法制備了FeCoNiCrMn合金涂層，發(fā)現等離子噴涂焰流的溫度可以達到10 000 K，這一溫度遠超錳元素的沸點(2 334.15 K)，因此在涂層制備中錳元素可能會較快揮發(fā)。ZHANG等[19]采用APS方法制備了FeCoNiCrMo合金涂層，研究發(fā)現鉬元素也具有穩(wěn)定FCC結構的作用，但鉬原子半徑大，致使鉬元素在高熵合金中的含量有限，這在一定程度上限制了FeCoNiCrMo高熵合金的應用。

除了上述合金元素外，研究人員還通過添加銅[20]、硼[21]等元素，采用APS工藝制備了多種具有不同高熵效應、晶格畸變效應和“雞尾酒”效應的FeCoNiCr系高熵合金涂層，但目前相關研究較少，仍需進一步探究銅、硼等元素對APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的影響。

1.2 復合涂層材料選擇

除了簡單的FeCoNiCr系高熵合金涂層外，通過將FeCoNiCr系高熵合金和其他合金或化合物等粉末顆粒結合制備復合涂層可以改善高熵合金涂層中存在的顆粒熔融效果不良、合金化程度不高及缺陷較多等問題，達到提高涂層性能的目的。研究發(fā)現，采用自熔性較好的合金粉末與FeCoNiCr系合金粉末共同制備涂層，可制備孔隙率低、結合強度高且性能優(yōu)異的FeCoNiCr系復合涂層[9]。目前相關研究主要集中在提高APS制備FeCoNiCr系復合涂層的硬度和摩擦磨損性能上。

TIAN等[9]采用APS工藝制備了FeCoNiCrAlTi/Ni60復合涂層，有效降低了涂層的孔隙率，該復合涂層在室溫和500 ℃下均具有比單一FeCoNiCrAlTi涂層更低的摩擦因數與磨損量。熊偉等[16]采用APS工藝制備了FeCoNiCrAlTi/NiCrBSi復合涂層，發(fā)現NiCrBSi合金提高了涂層與基體的結合強度，同時涂層的平均硬度增加至676 HV；由于NiCrBSi優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性，FeCoNiCrAlTi/NiCrBSi復合涂層在900 ℃下的磨損量更小，復合涂層比單一FeCoNiCrAlTi涂層具備更優(yōu)異的耐磨性能。

復合涂層中生成的第二相強化顆粒也可以改善FeCoNiCr系高熵合金涂層的組織結構與性能。SHI等[22]采用APS工藝制備了FeCoNiCrAl和銀、BaF2/CaF2的復合涂層，發(fā)現銀離子可以有效降低涂層的孔隙率，且在BaF2/CaF2的強化作用下，復合涂層在室溫時的磨損率約為2.5×10-5mm3·N-1·m-1，僅為FeCoNiCrAl涂層的1/10。MU等[23]采用APS工藝制備了以Al2O3為主的納米復合氧化物增強的FeCoNiCrAl 高熵合金復合涂層，其硬度可達(573±19) HV，摩擦因數僅為0.49±0.04，均明顯優(yōu)于單一FeCoNiCrAl 高熵合金涂層。LIANG等[24]采用APS工藝制備了TiN強化FeCoNiCrAl高熵合金涂層，發(fā)現涂層中除TiN外還生成了Al2O3，兩者協(xié)同改善涂層的力學性能；經后續(xù)激光重熔，Al2O3相含量增加，涂層硬度從493 HV進一步提高至851 HV。

綜上，高熵合金和上述材料結合可以得到硬度和摩擦磨損性能優(yōu)異的復合涂層。未來可以著眼于將一些耐腐蝕、抗氧化的材料與高熵合金相結合，以提高涂層的耐腐蝕及抗氧化性能。

2 FeCoNiCr系高熵合金涂層原料粉末制備方法

原料粉末的制備方法對APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的組織結構具有重要影響。常用的原料粉末制備方法包括氣體霧化法、機械合金化法、機械球磨混合法等。其中，氣體霧化法是最常用的原料粉末制備方法，用該方法制備的FeCoNiCr系高熵合金粉末顆粒呈橢球狀，有利于APS工藝過程中粉末的傳輸及熔融沉積，但該方法制備過程復雜，成本較高[25]。L?BEL等[26]研究發(fā)現，以氣體霧化法制備的FeCoNiCrAlTi合金粉末為原料，可以阻止低熔點金屬元素的過熔及揮發(fā)，避免合金元素成分偏差，從而使得APS制備的高熵合金涂層具備更加均勻的成分和組織。在文獻[3]中，APS噴涂FeCoNiCr系高熵合金涂層也選用氣體霧化粉末作為原料粉末，其制備的涂層成分均勻，物相與結構穩(wěn)定。

與氣體霧化法相比，機械合金化法與機械球磨混合法工藝簡單，且成本較低，但其缺點在于所制備的粉末合金化程度較低。例如，HSU等[6]采用機械合金化粉末通過APS制備了FeCoNiCrSiAlTi高熵合金涂層，研究發(fā)現熔融顆粒的快速凝固行為致使涂層內部出現過飽和晶粒與較大晶格畸變，且由于原料粉末合金化程度較低，涂層中殘留有鎳、鈦等原料金屬相。

在以上原料粉末制備方法中，氣體霧化法的合金化程度最高，機械合金化法次之，機械球磨混合法最差；但氣體霧化工藝復雜，設備成本昂貴。未來可嘗試采用機械合金化法或機械球磨混合法制備FeCoNiCr系涂層的原料粉末，并采用APS工藝與后續(xù)重熔或熱處理工藝結合制備FeCoNiCr系高熵合金涂層。

3 APS工藝參數對FeCoNiCr系高熵合金涂層的影響

APS制備高熵合金涂層為噴涂粉末快速熔融、相互擴散及涂層成形的過程。APS工藝的主要參數包括噴涂電流/功率、主氣流量、輔氣流量、送粉率等。其中，噴涂電流/功率對FeCoNiCr系高熵合金涂層組織和性能影響最大，相關研究較多。TIAN等[27]利用Praxair surface technologies 3710 APS系統(tǒng)，在45 kW的噴涂功率下制備了FeCrNiCrAlSi涂層，研究發(fā)現原料粉末中的單質硅已完全溶入到金屬晶格中，形成了單一FCC結構的高熵合金。ZHANG等[19]采用Metco APS設備研究了噴涂功率對FeCoNiCrMo涂層孔隙率和氧化物含量的影響，發(fā)現在氬氣流量為45 L·min-1，氫氣流量為13 L·min-1條件下，隨著噴涂功率從25.5 kW增加到45.0 kW，粉末顆粒的熔融效果增強，涂層孔隙率減小，但涂層中氧化物體積分數從25%增加到35%。LIANG等[24]在氬氣流量為50 L·min-1，氫氣流量為9.3 L·min-1條件下，采用不同的噴涂電流(500，600，700，750 A)，通過APS工藝制備了FeCoNiCrAl涂層，研究發(fā)現隨著噴涂電流的增加，粉末顆粒熔化效果增強，涂層中的孔隙等缺陷減少。

需要指出除噴涂功率和電流外，主氣流量、輔氣流量、送粉率等APS工藝參數也會對FeCoNiCr系高熵合金涂層的組織結構產生影響[28]，但目前相關研究較少，在未來應當注重對這些工藝參數進行探索研究。另外，現有研究多注重于噴涂參數對高熵合金涂層孔隙率、氧化物分布的影響等方面，而關于對合金晶粒尺寸、成分分布及位錯等的影響方面的研究較為欠缺，而這部分研究對揭示高熵合金涂層性能的變化規(guī)律具有重要作用，因此今后需進一步加強該方面的研究。

4 APS工藝制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的組織與性能

4.1 高熵合金涂層的組織

APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層呈層狀結構，其顯微組織和微觀缺陷受飛行粒子狀態(tài)和噴涂工藝等多方面的影響。TIAN等[29]研究發(fā)現，APS工藝制備AlCoCrFeNiTi商熵合金涂層的顯微組織受原料粉末顆粒沉積效果的影響，由于原料粉末尺寸不均勻，在噴涂過程中，小尺寸顆粒飛行速度過快，而大尺寸顆粒升溫過慢，使得大小粉末顆粒以不同的熔融程度到達沉積層表面，最終在涂層內形成飛濺碎片、球形顆粒和孔隙等缺陷；此外，噴涂過程中粉末熔化形成的高溫液滴在AlCoCrFeNiTi涂層內的層間碎片表面發(fā)生熱擴散，進而發(fā)生重熔和內部熱傳導，引起孔隙的自愈合；噴涂過程中產生的氧化物包覆熔融顆粒共同沉積到涂層/基體界面，在多道涂層搭接成形過程中，后續(xù)熔融顆粒對涂層的沖擊會使得氧化物重新分布。XIAO等[17]研究發(fā)現，化學性質活潑的鉻和鋁元素在噴涂過程中更易產生氧化物，表現為鉻、鋁、氧元素富集在在APS 制備FeCoNiCrSiAlx涂層內部多道搭接層之間。

APS制備高熵合金涂層內部會存在某些元素的富集區(qū)域或貧瘠區(qū)域。ANG等[3]研究發(fā)現，鋁元素會富集在AlCoCrFeNi涂層中的部分區(qū)域，這歸因于噴涂過程中出現的涂層結構變化。另外，噴涂過程中不同元素之間會相互吸引，且熔化和冷凝作用使得涂層組分發(fā)生偏移，造成涂層內元素分布不均。TIAN等[27]研究發(fā)現，由于鋁和鎳元素之間以及鐵和鈷元素之間負混合焓較大，鋁、鎳元素和鐵、鈷元素會分別富集在APS 制備AlCoCrFeNiSi涂層內部的不同位置。

4.2 高熵合金涂層的性能

4.2.1 高熵合金涂層的硬度

通過合理調控APS工藝以細化FeCoNiCr系高熵合金涂層的晶粒、減少合金元素的氧化消耗、減少孔隙等缺陷，可以有效提高涂層的硬度[24]。ZHANG等[19]研究發(fā)現，隨著APS噴涂功率的增大，FeCoNiCrMo高熵合金涂層中鉻元素的氧化產物增加，導致BCC相中鉻元素濃度下降，不利于涂層硬度的提高，但涂層中分散的含鉻氧化物、細小晶粒與低孔隙率使得涂層硬度從噴涂功率為25.5 kW時的(438±15.27) HV增加到45.0 kW時的(558.73±7.23) HV。盧金斌等[30]提出了一種超聲波振動輔助APS制備AlCoMoNiTiCr 高熵合金涂層的方法，即在APS過程中采用超聲波振動基材，從而提升高熵合金的合金化程度，減少涂層中氣孔、裂紋等缺陷的數量，使得涂層組織結構緊密，表面光滑，涂層硬度達到750 HV以上。

研究發(fā)現，APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的硬度通常遠超APS制備傳統(tǒng)合金涂層，其主要歸因于高熵合金的3個效應，即高熵效應、晶格畸變效應和“雞尾酒”效應[3,31-32]。例如，ANG等[3]研究發(fā)現，APS制備的NiCrAlCo合金涂層硬度僅為250 HV，而APS制備的 FeCoNiCrAl和FeCoNiCrMn 高熵合金涂層的硬度分別為(421.43±43.88)，(451.02±61.22) HV，明顯高于NiCrAlCo合金涂層，這是由于高熵合金涂層中更多的元素構成促使合金固溶程度增加，晶格畸變強化效應增大；另外，錳原子半徑大于鋁原子，使得FeCoNiCrMn 高熵合金涂層中存在更多的晶格畸變，硬度更高。金冰倩[31]研究發(fā)現，隨著FeCoNiCrSiAlx高熵合金涂層中鋁元素物質的量比x從0.5增加到2.0，增大的晶格畸變使得涂層硬度從530 HV增加到1 255 HV。WANG等[32]使用APS工藝制備了多種不同元素配比的FeCoNiCrSixAlTi涂層，隨著硅元素物質的量比x從0.5增加到2.0，涂層中生成了Cr3Si強化相，且其含量逐漸增加，第二相強化機制使得涂層硬度高達1 100 HV。

在后續(xù)硬度研究中，需綜合考慮APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的顯微組織、元素選擇及第二相強化效應等方面的影響，且可通過合理調控噴涂工藝及添加第二相強化顆粒的方式進一步提高FeCoNiCr系高熵合金涂層的硬度，從而擴大涂層的應用范圍。

4.2.2 高熵合金涂層的摩擦學性能

APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層常應用于發(fā)動機外殼、燃氣輪機外殼、螺旋槳等零部件外表面，會受到外界摩擦副的作用，因此一般要求涂層具備良好的摩擦學性能。研究表明，FeCoNiCr系高熵合金涂層在噴涂過程中形成的金屬氧化物有助于合金涂層的潤滑減摩及磨損量的減小。例如：MU等[23]研究發(fā)現，在相同的APS工藝下，FeCoNiCrAl高熵合金涂層的主要磨損機制為磨粒磨損，摩擦因數約為0.5，而FeCoNiCrMo高熵合金涂層的主要磨損機制為黏著磨損，摩擦因數約為0.75，FeCoNiCrAl涂層比FeCoNiCrMo涂層具有更好的耐磨性能，這主要歸因于噴涂過程中產生的含鋁氧化物；MEGHWAL等[7]通過摩擦磨損試驗發(fā)現，APS制備FeCoNiCrAl涂層因受涂層中Al2O3相分布的影響，其耐磨性能并不均勻，氧化物含量高的涂層區(qū)域具有更高的耐磨性能，這是由于高硬度氧化物的第二相強化作用與潤滑作用提高了涂層局部的硬度，從而提高了該處的摩擦學性能；ZHANG等[19]研究發(fā)現，提高噴涂功率可提高APS制備FeCoNiCrMo 高熵合金涂層中含鉻氧化物的生成量，使涂層的黏著磨損行為轉變?yōu)槟チＤp行為，同時有效減小了涂層磨痕的寬度與深度。LI等[25]的研究也發(fā)現了氧化物對高熵合金涂層摩擦學性能的改善作用，他們通過超音速火焰噴涂(HVOF)和APS分別制備了FeCoNiCrMo涂層，APS制備的涂層具有更高的氧化物含量，相同條件下的磨痕深度僅約為10 μm，遠低于HVOF制備涂層的50 μm。

此外，APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層常暴露于高溫環(huán)境中，因此其高溫磨損性能也得到廣泛關注。SHI等[22]研究發(fā)現在773 K高溫條件下，FeCoNiCrAl 涂層的磨損機制主要為氧化磨損，這是鉻元素易高溫氧化所致；在高溫磨損過程中，涂層表面逐漸生成氧化膜，避免了摩擦副與涂層直接接觸，減輕了涂層的機械磨損，且涂層摩擦因數隨磨損溫度的升高而降低，從25 ℃時的0.79降至800 ℃時的0.50，這是由于高溫下氧化物的生成量增加，并形成致密的氧化膜在磨損過程中起到潤滑作用。

綜上可知，APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的摩擦學性能受到噴涂工藝、涂層組織結構以及涂層元素種類的影響，并且噴涂或磨損過程中產生的氧化物具有減摩作用。因此，在摩擦磨損工況下，可以考慮采用含鋁、鈦及鉬元素的FeCoNiCr系高熵合金粉末，利用這些元素生成的致密氧化膜產生的潤滑來提高涂層的耐磨性能。

4.2.3 高熵合金涂層的結合力

結合力不良的涂層容易剝落，使涂層的防護性和功能(如摩擦磨損性能、耐腐蝕性能、耐氧化性能等)均失去作用。因此，判斷涂層是否耐用應首先對其結合力進行測試。TIAN等[33]采用APS工藝在316不銹鋼基材上制備了FeCoNiCrAlTi高熵合金涂層，涂層在拉伸過程中發(fā)生斷裂，其內部平均結合強度為(50.3±8.5) MPa，而涂層并未與基材發(fā)生脫離，說明涂層與基材結合力良好。另外，吳艷鵬等[28]研究發(fā)現,優(yōu)化APS工藝參數與粉末粒度分布可減少涂層內部未熔融顆粒含量，進而減少涂層與基材界面區(qū)域的缺陷，增大冶金熔合區(qū)面積，從而進一步提高高熵合金涂層的結合強度。但目前有關FeCoNiCr系高熵合金涂層結合強度的研究仍較少，后續(xù)應著重研究涂層結合力狀況，如通過優(yōu)化噴涂工藝和提高基體表面粗糙度等增加涂層結合力，這對涂層的長效服役具有重要意義。

4.2.4 高熵合金涂層的耐腐蝕、抗高溫氧化性能

在船舶與海洋工程等應用領域使用的涂層，由于長時間在海洋環(huán)境中服役，涂層會面臨較大的腐蝕威脅。近些年，APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的耐腐蝕性能也受到廣泛關注，以探索其在更多領域應用的可能性[34-35]。WANG 等[36]研究了APS制備FeCoNiCrNb涂層在NaCl環(huán)境下的腐蝕行為，發(fā)現FeCoNiCrNb涂層中的鉻、鈮元素在腐蝕過程中可與H2O生成致密的Cr2O3與Nb2O5鈍化膜，提高合金涂層的耐腐蝕性能。與其他學者[37-39]制備的FeCoNiCrWMo，FeCoNiCrAlTiNi，FeCoNiCrCu等高熵合金涂層相比，鈮的添加賦予了FeCoNiCr系高熵合金涂層相對更好的耐腐蝕性能。MAO等[40]研究發(fā)現，APS制備FeCoNiCrMnAl涂層在質量分數3.5%NaCl溶液中的腐蝕速率為0.72 mg·cm-2·h-1，約為316不銹鋼(1.35 mg·cm-2·h-1)的一半，與304不銹鋼(0.75 mg·cm-2·h-1)相近，這說明FeCoNiCrMnAl涂層具有良好的耐腐蝕性能。

此外，涂層暴露在高溫環(huán)境下易發(fā)生氧化，且體積膨脹，最終可能導致涂層失效，因此對APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層抗高溫氧化性能的研究也迫在眉睫。HSU等[6]在1 100 ℃下對APS制備FeCoNiCrSiAlTi涂層進行了100 h的高溫氧化試驗，發(fā)現該涂層的氧化增重主要出現在前5 h，鉻元素最先與氧反應生成Cr2O3，鋁元素隨后在Cr2O3層下方生成Al2O3保護層，致使后續(xù)氧化行為放緩；另外，由于APS制備的涂層中不可避免地存在孔隙等缺陷，加速了氧原子的擴散，使得FeCoNiCrSiAlTi涂層的抗高溫氧化性能低于其塊體。LU等[41]研究發(fā)現，在1 050～1 150 ℃的氧化環(huán)境下，APS制備的FeCoNiCrAlY涂層具有比NiCoCrAlY涂層更強的抗氧化性，在長時間氧化期間FeCoNiCrAlY涂層表現出比NiCoCrAlY涂層(506.7 kJ·mol-1)更高的氧化活化能(694.8 kJ·mol-1)，這歸因于FeCoNiCrAlY涂層在早期氧化階段沒有尖晶石生長。

綜上可知，APS制備FeCoCrNi系高熵合金涂層具有應用于耐腐蝕和抗高溫氧化方面的潛力，但應進一步對不同條件下涂層的耐腐蝕及抗高溫氧化性能開展研究，以滿足不同工況的需要。此外，可以設法修復涂層中的孔隙等缺陷以延緩腐蝕介質或氧化介質在涂層中的擴散，從而進一步提高高熵合金涂層的性能。

5 APS工藝制備FeCoNiCr系高熵合金涂層后處理

APS系高熵合金涂層可能存在孔隙、熔融不良等缺陷，在噴涂后，采用激光重熔、熱處理等工藝可實現涂層顯微組織與性能的進一步優(yōu)化。YUE等[42]采用APS工藝在鎂合金表面制備了具有層狀結構的FeCoNiCrAlCu高熵合金涂層，涂層孔隙率約為10%；經激光重熔處理后，涂層頂部形成了無明顯孔隙、致密的FeCoNiCrAlCu重熔合金層，重熔層厚度約為100 μm；激光重熔工藝未改變FeCoNiCrAlCu高熵合金涂層的晶體結構，仍主要為BCC結構和少量FCC結構，但激光重熔層中出現了柱狀晶組織，晶粒發(fā)生細化。WANG等[43]研究發(fā)現單一FCC結構的FeCoNiCrMn高熵合金涂層經激光重熔后形成了FCC與BCC結構混合的FeCoNiCrMn高熵合金重熔層，重熔層厚度為100 μm，其內部未出現明顯裂紋，且其開裂敏感性與BCC相的含量成反比。張楠楠等[44]對FeCoNiCrAlV涂層進行了激光重熔，發(fā)現重熔后涂層內部會生成硬脆CrV化合物，其可通過彌散強化機制提高涂層的力學性能。

WANG等[32]發(fā)現，APS制備的 FeCoNiCrSiAlTi高熵合金涂層在800 ℃和1 100 ℃進行10 h退火熱處理后，其硬度分別從500 HV提高到(824±81) HV和(964±37) HV，這是由于熱處理促使涂層中析出Cr3Si硬質相，且隨著退火溫度的升高，硬質相析出量增加，涂層硬度提高。HSU等[45-46]研究發(fā)現，在1 100 ℃ 下進行4 h退火熱處理后， NiCo0.6Fe0.2CrxSiAlTiy高熵合金涂層中生成了細小Cr3Si相與氧化物相，高熵合金涂層的硬度從450 HV提高到800 HV。XIAO等[17]研究發(fā)現，對FeCoNiCrSiAlx涂層進行熱處理可促進涂層中元素的擴散，從而生成硬質Cr3Ni5Si2金屬間化合物相，其可有效提高涂層的耐磨性能，當x=1.0時涂層具有最低的磨損率。肖金坤等[47]研究發(fā)現，熱處理可以有效提高FeCoNiCrMn涂層的耐磨性能，熱處理前涂層的磨損率為2.65×10-4mm3· N-1·m-1，在氮氣保護下經800 ℃熱處理2 h后，涂層磨損率降低至5.13×10-5mm3·N-1·m-1。WANG等[48]對APS制備的FeCoNiCrAl高熵合金涂層進行了(600～1 000) ℃×4 h的退火處理，發(fā)現退火處理可使涂層結構由BCC向FCC轉變，且在600～900 ℃退火時，鋁和鉻的擴散使得涂層中形成Al(Fe，Ni)相，涂層硬度和彈性模量分別提高至576 HV和232.4 GPa。

綜上可知，激光熔覆和熱處理等方法可以優(yōu)化APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的顯微組織與性能。后續(xù)研究中可以采用激光熔覆、熱處理及其他重熔方法如等離子熔覆、火焰熔覆等進行高熵合金涂層的改性處理，以擴展APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的應用領域。

6 結束語

APS技術已被廣泛用于FeCoNiCr系高熵合金涂層的制備，通過優(yōu)化噴涂工藝、原材料選擇及后處理工藝，可獲得具有優(yōu)良組織結構與性能的FeCoNiCr系高熵合金涂層，拓寬其在現代表面工程領域的應用。未來APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的發(fā)展方向主要體現在以下幾個方面。

(1) 在合金成分選擇及APS工藝參數的研究方面，加強研究多元素間的相互組合作用及多參數間的協(xié)同影響作用，以期開發(fā)和研制出新型高性能FeCoNiCr系高熵合金涂層。

(2) 針對APS工藝的技術特點，深入研究涂層的殘余應力分布，同時在涂層的性能研究方面，進一步研究涂層的沖蝕磨損及疲勞等性能，以擴展涂層的應用領域。

(3) 在涂層改性與后處理研究方面，結合硬質強化相及合適的后處理工藝以期進一步提高APS制備FeCoNiCr系高熵合金涂層的性能，挖掘涂層的應用潛力。