電爆噴涂FeCoCrNiAlx高熵合金涂層的形成機(jī)制與性能

閆維亮，周 輝，2*，朱 亮，2*，魏玉鵬，2

（1 蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050；2 蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

高熵合金是近年來發(fā)展起來的新型合金，因其全新的設(shè)計(jì)理念、獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性等特點(diǎn)，在新合金領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注［1-2］。塊狀高熵合金受成本、尺寸及形狀的影響，限制了其工程應(yīng)用［3］。將高熵合金制備成涂層進(jìn)行表面改性，既能發(fā)揮其特有的性能，又能降低成本，節(jié)約稀有材料的消耗。目前，激光熔覆［4-5］、等離子噴涂［6］和磁控濺射［7］是高熵合金涂層常用的制備方法。激光熔覆能量密度高，應(yīng)用較廣泛［8］；等離子噴涂沉積速率快［9］；磁控濺射厚度可控［10］。這些制備方法存在以下局限性：（1）原混合粉末需要長(zhǎng)時(shí)間球磨形成高熵合金粉體，然后再制備成涂層，降低效率；（2）能量熱輸入較大，冷卻速度較慢，易形成脆性金屬間化合物，導(dǎo)致材料性能惡化；（3）設(shè)備復(fù)雜，制備成本高。電爆噴涂是制備高熵合金涂層的一種新方法［11］。它是通過高電壓對(duì)混合均勻的粉末脈沖放電，瞬時(shí)大電流將其加熱熔化并合金化，然后發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的高溫粒子伴隨沖擊波噴射到基體表面形成涂層［12-13］。該方法具有以下特點(diǎn)：（1）在制備涂層前將多種粉末混合均勻即可，無須球磨成高熵合金粉體；（2）電爆噴涂過程時(shí)間極短，僅需10 μs 左右［14］，凝固速度快，有利于擴(kuò)大固溶度及BCC 或FCC 固溶體形成，抑制脆性金屬間化合物產(chǎn)生；（3）其熱能是由瞬間高功率脈沖電能通過歐姆加熱的形式轉(zhuǎn)化而來，可根據(jù)電壓大小來調(diào)控噴涂材料所需的能量，常用于高熔點(diǎn)材料，如鉭、鉬、鎢等［15-16］；（4）噴射粒子在沖擊波的作用下獲得的速度很快，可達(dá)2000~5000 m/s，結(jié)合強(qiáng)度高［17］；（5）厚度可控，裝置簡(jiǎn)單，成本低。

本工作采用電爆噴涂技術(shù)在TC4 鈦合金表面制備FeCoCrNiAlx高熵合金涂層，分析Al 元素含量對(duì)涂層物相結(jié)構(gòu)、表面形貌、結(jié)合界面、顯微硬度以及耐磨性的影響，探究涂層的磨損失效機(jī)理，為高熵合金的應(yīng)用提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金作為基體材料，線切割制備成20 mm×15 mm×1 mm 試樣。實(shí)驗(yàn)前用CJ-1210 型噴砂機(jī)對(duì)預(yù)噴涂表面進(jìn)行噴砂，再用無水乙醇和丙酮清洗以保證基材表面清潔。選取顆粒度為5000 目（2.6 μm）、純度為99.99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Fe粉、Co 粉、Cr 粉、Ni 粉、Al 粉，按照Fe∶Co∶Cr∶Ni∶Al=1∶1∶1∶1∶x（x=0，0.5，1.0，摩爾比，下同），在精度為0.1 mg 的FA 1004N 型電子天平上進(jìn)行稱量，然后放入混料機(jī)中混合2~4 h 以保證粉末均勻。通過電爆噴涂制備FeCoCrNiAlx高熵合金涂層。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為實(shí)現(xiàn)多組元混合粉末的合金化，提出帶載粉約束電爆噴涂方法，其過程圖如圖1 所示。先用混料機(jī)把多種粉末混合均勻，然后在每克粉末中加入0.1 mL 溶液（水和聚乙烯醇按照體積比100∶1 配置），并不斷攪拌使其呈現(xiàn)“團(tuán)絮狀”，之后將“團(tuán)絮狀”粉末均勻鋪放在自行研發(fā)的載料帶的凹槽內(nèi)，再在其表面放置一根比凹槽直徑稍小的鋼鐵絲，在其上方施加力F，“團(tuán)絮狀”粉末在力F的作用下被壓實(shí)在凹槽內(nèi)。因水溶性膠黏劑（聚乙烯醇）具有黏性，稀釋后加入粉末中能夠提高成型性，使其更緊實(shí)，大電流通過粉末時(shí)更易熔化并合金化。

圖1 帶載粉約束電爆噴涂方法過程圖Fig.1 Process diagram of constrained electric explosion spraying method with loaded powder

將載有粉末的載料帶依次放入約束孔盤上的約束孔中。通過高壓發(fā)生器對(duì)儲(chǔ)能電容器充電，使電極間建立起高壓電場(chǎng)。當(dāng)約束孔轉(zhuǎn)到兩電極之間時(shí)，脈沖大電流通過氣體放電的形式導(dǎo)入粉末中，在焦耳熱的作用下將其加熱熔化并合金化，然后發(fā)生爆炸，其高溫粒子伴隨沖擊波噴射到基體表面形成涂層。噴涂結(jié)束后，載料孔盤在傳動(dòng)裝置的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)下一個(gè)約束孔轉(zhuǎn)到兩電極之間時(shí)再次發(fā)生爆炸，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)連續(xù)噴涂。整個(gè)過程在真空腔室中進(jìn)行，避免合金化時(shí)產(chǎn)生雜質(zhì)。

1.3 分析測(cè)試與表征

利用D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀（XRD）分析涂層的晶體結(jié)構(gòu)，參數(shù)為：Cu 靶Kα線，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描步長(zhǎng)0.02°，掃描速度2（°）/min，掃描范圍20°~100°，λ=0.15406 nm；使用FEG-450 型掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜儀（EDS）分析涂層的形貌及成分分布；采用LSM-800 型激光共聚焦顯微鏡觀察涂層的三維表面形貌；使用RST3型劃痕儀測(cè)試涂層的結(jié)合強(qiáng)度，劃頭以5 mm/min 的滑動(dòng)速度橫向運(yùn)動(dòng)，以50 N/min 的加載速率從0 N 加至50 N，最終劃痕長(zhǎng)度為5 mm；利用HT-1000 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參數(shù)為：摩擦副Si3N4，摩擦半徑6 mm，載荷5 N，旋轉(zhuǎn)速度385 r/min，時(shí)間300 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的物相結(jié)構(gòu)

圖2 為FeCoCrNiAlx涂層的XRD 譜圖?？梢钥闯觯繉泳珊?jiǎn)單的FCC 相、BCC 相和少量σ 相組成，并沒有出現(xiàn)復(fù)雜的金屬間化合物，這是因高熵效應(yīng)和電爆噴涂快速冷卻的特點(diǎn)形成的。隨著Al含量的增加，物相結(jié)構(gòu)由FCC 相向BCC 相轉(zhuǎn)變，則Al 元素的加入有利于BCC 相的形成［18-19］。分析認(rèn)為，Al原子半徑較大，溶入后產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變，體系呈亞穩(wěn)定狀態(tài)，而新BCC相的形成有助于減少晶格畸變，降低體系的能量［20］。其次，BCC 結(jié)構(gòu)的原子致密度為68%，F(xiàn)CC 結(jié)構(gòu)的原子致密度為74%，低的原子堆積密度更易容納較大尺寸的原子，釋放部分晶格畸變能，使體系趨于穩(wěn)定［21］。

圖2 FeCoCrNiAlx高熵合金涂層的XRD 譜圖Fig.2 XRD patterns of FeCoCrNiAlx high-entropy alloy coatings

由Scherrer 公式分析FeCoCrNiAlx高熵合金涂層的晶粒尺寸。

式中：D為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度，nm；K為Scherrer 常數(shù)，K=0.89；λ為X 射線波長(zhǎng)，λ=0.154056 nm；B為涂層樣品的衍射峰半高寬度，rad；θ為衍射角。根據(jù)式（1）可以計(jì)算出FeCoCrNiAlx高熵合金涂層中BCC 相和FCC 相的晶粒尺寸，結(jié)果如圖3所示。BCC 相的平均晶粒尺寸是26~47 nm，F(xiàn)CC 相的平均晶粒尺寸是17~45 nm。隨著Al 元素含量的增加，BCC 相的平均晶粒尺寸逐漸減小，F(xiàn)CC 相的平均晶粒尺寸逐漸增大。

圖3 FeCoCrNiAlx涂層的平均晶粒尺寸Fig.3 Average grain size of FeCoCrNiAlx coatings

由上述可知，Al 元素的加入有利于BCC 相的形成，則隨著Al 含量的增加，BCC 相的形核質(zhì)點(diǎn)隨之增多，形核率上升，晶粒長(zhǎng)大速度受到抑制，導(dǎo)致晶粒細(xì)化；反之，F(xiàn)CC 相的形核受到抑制，使晶粒粗化?？梢?，電爆噴涂方法制備的涂層晶粒尺寸在納米級(jí)范圍，其較快的冷卻凝固速度抑制了晶粒的長(zhǎng)大。

2.2 涂層的表面形貌及沉積特性

FeCoCrNiAlx涂層的表面形貌如圖4 所示。不添加Al 元素時(shí)，涂層表面存在較多的凸起組織，平整性較差，致密的光滑扁平組織少，出現(xiàn)少量孔洞等缺陷，如圖4（a）所示。當(dāng)添加Al 元素后，涂層整體均勻性和致密性均有明顯改善，噴涂粒子在表面充分扁平鋪展，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷，如圖4（b），（c）所示。隨著Al 含量的增加，涂層表面的成型性變好。分析認(rèn)為Al 元素的熔點(diǎn)較其他Fe，Co，Cr，Ni 等元素低（Fe：1535 ℃，Co：1495 ℃，Cr：1855 ℃，Ni：1455 ℃，Al：660 ℃），所以Al 的添加會(huì)使合金的熔點(diǎn)降低。在同等能量密度條件下，熔滴獲得的能量多，噴涂過程中熔滴溫度持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，到達(dá)涂層表面后有充分的時(shí)間扁平鋪展。

圖4 FeCoCrNiAlx高熵合金涂層的典型表面形貌（a）FeCoCrNiAl0；（b）FeCoCrNiAl0.5；（c）FeCoCrNiAl1.0Fig.4 Typical surface morphologies of FeCoCrNiAlx high-entropy alloy coatings（a）FeCoCrNiAl0；（b）FeCoCrNiAl0.5；（c）FeCoCrNiAl1.0

圖5 為FeCoCrNiAlx涂層的三維表面形貌及粗糙度輪廓曲線。FeCoCrNiAl0涂層表面的峰起伏較大，整體較為凹凸不平，在某些區(qū)域出現(xiàn)較尖銳的峰，說明凸起較為嚴(yán)重，如圖5（a）所示。而FeCoCrNiAl0.5和FeCoCrNiAl1.0涂層表面整體起伏較為平整，沒有明顯的尖銳峰出現(xiàn)，如圖5（b），（c）所示。經(jīng)計(jì)算，涂層的粗糙度Ra分別為1.53，1.46，1.20 μm。隨著Al 含量的增加，粗糙度逐漸減小，涂層的平整性更好。

圖5 FeCoCrNiAlx涂層的三維表面形貌及粗糙度輪廓曲線（a）FeCoCrNiAl0；（b）FeCoCrNiAl0.5；（c）FeCoCrNiAl1.0Fig.5 Three dimensional surface morphologies and roughness profile curves of FeCoCrNiAlx coatings（a）FeCoCrNiAl0；（b）FeCoCrNiAl0.5；（c）FeCoCrNiAl1.0

電爆噴涂的沉積特性是由液相沉積和熔滴噴涂形成。液相沉積過程是均勻的混合粉末在焦耳熱的作用下熔化并合金化形成熔滴，通過沖擊波將尺寸稍大的熔滴快速噴射到基體表面形成熔潭，其他小液滴持續(xù)撞擊熔潭，使其凝聚在一起，聚集的較大液滴凝固過程較緩慢，具有一定的流動(dòng)性，在基體表面充分鋪展，凝固后呈現(xiàn)“扁平狀”或“薄餅狀”的組織，這一過程也稱為熔滴的扁平化行為。對(duì)于尺寸小且未被熔潭吞噬的熔滴，高速噴射到基體表面后快速冷凝形成熔滴噴涂層。這兩種沉積方式形成的涂層平整、均勻致密、無明顯缺陷。另外，在涂層表面還黏附著少量納米級(jí)和1~2 μm 左右的微米級(jí)小顆粒，它們并沒有完成扁平鋪展或熔滴噴涂。這是由于，細(xì)小熔滴獲得的初動(dòng)能較小，在噴射過程中因冷凝作用使得這些熔滴未到達(dá)基體表面時(shí)已變成半凝固狀態(tài)，撞擊力小，無法充分鋪展。

圖6 為FeCoCrNiAl1.0涂層的元素分布圖?？梢钥闯觯魃攸c(diǎn)分布均勻，沒有出現(xiàn)元素偏聚，說明元素均勻分布在涂層表面。除Al 含量偏低外，其他元素基本保持在1∶1 的初始成分比。分析認(rèn)為，Al 的熔點(diǎn)較低，而電爆噴涂過程瞬時(shí)溫度較高，微量Al 元素?fù)]發(fā)在腔體中。結(jié)合XRD，F(xiàn)eCoCrNiAl1.0涂層由結(jié)構(gòu)單一、組織均勻的固溶體組成。

2.3 涂層與基體的結(jié)合

在外部載荷作用下，涂層剝落是限制其工程使用的重要因素。涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是評(píng)判涂層質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，是保證涂層滿足各種性能的基本前提。涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度越大，在惡劣環(huán)境中承受大載荷的能力就越強(qiáng)，涂層的耐久性能就越好［22］。

圖7 為FeCoCrNiAl1.0涂層的劃痕形貌（多張SEM圖拼接而成）及相應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)曲線。可以看出，隨著測(cè)試載荷的增加，劃痕不斷變深、變寬，相應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)曲線在較長(zhǎng)的范圍內(nèi)出現(xiàn)微小波動(dòng)和變化，這可能是表面不平整導(dǎo)致少量涂層剝落造成的。當(dāng)載荷增加至約36 N 時(shí)（即劃痕至約3.6 mm 位置處），聲發(fā)射信號(hào)曲線中出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值，表明涂層在此發(fā)生局部剝落或開裂，此時(shí)的載荷即為失效臨界載荷Lc，見圖7 中圓圈處。

圖7 FeCoCrNiAl1.0涂層的劃痕形貌及相應(yīng)聲發(fā)射信號(hào)曲線Fig.7 Scratch morphology and corresponding acoustic emission signal curve of FeCoCrNiAl1.0 coatings

在聲發(fā)射信號(hào)曲線中，第一個(gè)峰值信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了層間失效；第一個(gè)峰值信號(hào)后出現(xiàn)的二次信號(hào)峰，表明涂層與基體間發(fā)生失效。說明涂層的結(jié)合強(qiáng)度基本一致，力學(xué)性能比較均勻，不存在應(yīng)力集中或局部缺陷［23］。

圖8 為FeCoCrNiAl1.0涂層失效位置的放大形貌。劃痕內(nèi)出現(xiàn)了分層開裂現(xiàn)象，并且局部位置發(fā)生基體裸露。在不同位置重復(fù)測(cè)試，其失效臨界載荷平均值為37.2 N。一般情況下，利用Rockwell C 壓頭進(jìn)行劃痕測(cè)試，若獲得的臨界載荷大于30 N，則該涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度滿足大多數(shù)工程應(yīng)用的要求［24］?？梢姡現(xiàn)eCoCrNiAl1.0涂層與基體之間有較大的結(jié)合強(qiáng)度，滿足大多數(shù)工程應(yīng)用。

圖8 FeCoCrNiAl1.0涂層失效位置放大圖Fig.8 Enlarged image of failure position of FeCoCrNiAl1.0 coatings

圖9 為FeCoCrNiAl1.0涂層的結(jié)合界面及EDS 線掃描。涂層與基體的結(jié)合界面呈波浪狀，說明形成良好的冶金結(jié)合，結(jié)合區(qū)無明顯的裂紋、孔洞等缺陷。涂層整體較為均勻、致密，表明電爆噴涂的薄層之間同樣形成冶金結(jié)合，其厚度大約為30 μm。另外，有少量層狀界面出現(xiàn)，這是由于噴涂粒子碰撞后形成的扁平粒子以鋪展的形式堆積成層，很少的一部分沒有達(dá)到完全冶金結(jié)合。

圖9 FeCoCrNiAl1.0涂層的結(jié)合界面SEM 圖（a）及EDS 線掃描分析（b）Fig.9 SEM image of bonding interface（a） and EDS line scan analysis（b） of FeCoCrNiAl1.0 coatings

從EDS 線掃描可以看出，涂層中的Fe，Co，Cr，Ni和Al 元素含量逐漸升高，而基體中的Ti 元素變化呈相反的趨勢(shì)。各元素的含量在結(jié)合界面處不是突然變化的，而是有一定的過渡。這是因?yàn)樵陔姳瑖娡窟^程中，噴涂粒子在高能沖擊波的作用下撞擊基體，與基體發(fā)生強(qiáng)烈的機(jī)械咬合，形成“拋錨結(jié)合”，并且通過極高的熱能，在咬合過程中與基體發(fā)生相互熔合形成微小熔池［23］。此時(shí)基體與涂層中的元素發(fā)生相互擴(kuò)散，在結(jié)合界面處各元素的含量呈緩慢過渡趨勢(shì)，產(chǎn)生一個(gè)元素?cái)U(kuò)散的過渡層（transition layer）。這些現(xiàn)象均表明涂層與基體形成了良好的冶金結(jié)合。FeCoCrNiAlx涂層與基體既發(fā)生了“拋錨結(jié)合”，又出現(xiàn)了界面間的元素互擴(kuò)散，為典型的冶金結(jié)合界面。

為更直觀地觀察各元素在橫截面的分布情況，對(duì)涂層的橫截面進(jìn)行EDS 面掃描，結(jié)果如圖10 所示?？梢钥吹剑繉又械腇e，Co，Cr，Ni，Al 元素和基體中的Ti 元素上下分布比較明顯，以結(jié)合界面為分界線形成良好的對(duì)應(yīng)，各元素在結(jié)合處呈波浪形，出現(xiàn)了元素的互擴(kuò)散現(xiàn)象，與上述結(jié)果相同。另外，涂層中的各元素分布均勻，沒有明顯的成分偏析，進(jìn)一步驗(yàn)證了FeCoCrNiAl1.0涂層的均勻性。

圖10 FeCoCrNiAl1.0涂層的橫截面EDS 面掃描Fig.10 EDS scanning results of cross-section of FeCoCrNiAl1.0 coatings

2.4 涂層的顯微硬度

FeCoCrNiAlx涂層的顯微硬度如圖11 所示?？芍?，涂層的顯微硬度隨Al 含量的增加不斷增大，在x=1.0 時(shí)達(dá)到最大值531.8HV，大約是基體的1.62 倍。由前述可知，隨Al 元素含量的增多，BCC 結(jié)構(gòu)逐漸成為涂層的主要組成相。因有序BCC 結(jié)構(gòu)比FCC 結(jié)構(gòu)的硬度高，所以顯微硬度顯著增加。其次，隨著Al 含量的增多，晶格畸變加劇，固溶強(qiáng)化效果越明顯［25］。此外，電爆噴涂具有加熱和冷卻速度極快的特點(diǎn)，晶粒來不及長(zhǎng)大，起到晶粒細(xì)化的作用。這幾個(gè)方面的共同作用使涂層的硬度進(jìn)一步增加。

圖11 FeCoCrNiAlx高熵合金涂層的顯微硬度Fig.11 Microhardness of FeCoCrNiAlx high-entropy alloy coatings

2.5 涂層的耐磨性能

圖12 為FeCoCrNiAlx涂層的摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線和顯微硬度-平均摩擦因數(shù)曲線。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，摩擦曲線上下浮動(dòng)較大，這是摩擦過程的跑合階段。對(duì)磨材料與涂層表面的微凸體優(yōu)先發(fā)生摩擦，此時(shí)因接觸面積小，承載面上的壓強(qiáng)較大，兩表面的微凸體發(fā)生劇烈破壞，摩擦因數(shù)波動(dòng)較大，磨損率較高。隨著摩擦的進(jìn)行，微凸體被逐漸磨平，摩擦副由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，該過程為穩(wěn)定磨損階段。通過跑合階段的劇烈摩擦，摩擦副表面發(fā)生應(yīng)變硬化，使摩擦副具有一定的抵御磨損的能力，摩擦曲線比較平穩(wěn)。

圖12 FeCoCrNiAlx涂層在室溫下的摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線（a）和顯微硬度-平均摩擦因數(shù)曲線（b）Fig.12 Friction coefficient-time curves（a） of FeCoCrNiAlx coatings at room temperature and microhardness-average friction coefficient curve（b）

摩擦因數(shù)是表征材料耐磨性的一個(gè)重要參數(shù)，反映材料表面形貌、接觸形式以及載荷和滑動(dòng)速度之間的相互作用。一般情況下，摩擦因數(shù)越小，表明材料在滑動(dòng)過程中水平方向上的阻力和材料間相互作用力越小，材料不易受到破壞，相對(duì)來說耐磨性就越好［26］。由圖12（a）數(shù)據(jù)計(jì)算得到涂層的平均摩擦因數(shù)分別為0.1766，0.1578 和0.1502，基體TC4 的平均摩擦因數(shù)為0.3577。隨著Al 含量的增加，涂層的摩擦因數(shù)逐漸減小，耐磨性增強(qiáng)，并且均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相同摩擦條件下基體的摩擦因數(shù)［27-29］。與顯微硬度的變化規(guī)律相一致，符合經(jīng)典的Archard 定律［26］。說明隨著涂層硬度的升高，摩擦因數(shù)呈逐漸降低的趨勢(shì)，如圖12（b）所示。而TC4 合金的摩擦因數(shù)波動(dòng)更為劇烈，TC4 鈦合金較軟，摩擦過程中產(chǎn)生大量的碎屑，從而導(dǎo)致黏滑現(xiàn)象。

為了能夠簡(jiǎn)單、直觀地衡量涂層的磨損情況，采用質(zhì)量損失量來表征其耐磨性。一般來說，磨損量越小，耐磨性越好［30］。

式中：ε為磨損率；Δm為磨損量；Δt為磨損時(shí)間。磨損率的倒數(shù)定義為耐磨性，它代表材料抵抗磨損的能力。由式（2）計(jì)算出FeCoCrNiAlx涂層和基體的磨損率，結(jié)果如表1 所示。隨著Al 含量的增加，磨損量和磨損率均減小，這與平均摩擦因數(shù)規(guī)律相一致。當(dāng)x=1.0 時(shí)，涂層在相同條件下的磨損量最少，摩擦率最低，耐磨性也就越好，約為基體的3.9 倍。整體來講，涂層的磨損量和磨損率較基體低，這是由于隨著涂層硬度的增加，磨損過程中涂層表面抵御摩擦的能力變強(qiáng)。可見，高熵合金涂層提升了基體的耐磨性能。

表1 FeCoCrNiAlx涂層和基體的磨損量和磨損率Table 1 Wear amount and wear rate of FeCoCrNiAlx coatings and substrate

圖13 為FeCoCrNiAlx涂層和TC4 基體磨損后的表面形貌。從圖13（a）可以看出，基體表面出現(xiàn)平行排列的犁溝狀劃痕，還有少量磨屑和材料脫落形成的凹坑，說明基體的磨損形式是以磨粒磨損為主，并伴隨著少量的黏著磨損。分析認(rèn)為，TC4 基體的硬度遠(yuǎn)低于摩擦副Si3N4球的硬度（約為1500HV），在摩擦過程中，Si3N4球在循環(huán)壓力的作用下逐漸嵌入基體中，對(duì)其產(chǎn)生持續(xù)不斷的切削作用，且基體較軟，韌性較好，切下來的磨屑一般是連續(xù)屑，形成沿摩擦運(yùn)動(dòng)方向的犁溝。其次，在磨損過程中發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移，也就證明黏著磨損的存在［31-32］。與基體相比，磨損表面比較光滑，如圖13（b）~（d）所示，其主要磨損機(jī)制為磨粒磨損。這得益于涂層硬度的大幅提升，使得抵抗塑性變形能力明顯增強(qiáng)。同時(shí)，隨著Al 含量的增加，涂層表面的劃痕和溝壑逐漸變淺，其耐磨損性能逐漸提高。當(dāng)x=1.0 時(shí)，犁溝明顯較淺，磨損表面較為光滑，耐磨性能最好。

圖13 FeCoCrNiAlx涂層和基體的磨損表面形貌（a）TC4 基體；（b）FeCoCrNiAl0；（c）FeCoCrNiAl0.5；（d）FeCoCrNiAl1.0Fig.13 Worn surface morphologies of FeCoCrNiAlx coatings and substrate（a）TC4 substrate；（b）FeCoCrNiAl0；（c）FeCoCrNiAl0.5；（d）FeCoCrNiAl1.0

3 結(jié)論

（1）FeCoCrNiAlx（x=0，0.5，1.0）涂層的晶粒尺寸為納米級(jí)，均形成了簡(jiǎn)單的FCC，BCC 及FCC+BCC 結(jié)構(gòu)固溶體，沒有出現(xiàn)復(fù)雜的金屬間化合物。隨Al含量的增加，物相結(jié)構(gòu)由FCC 相逐漸向BCC 相轉(zhuǎn)變。

（2）涂層表面形貌由液相沉積和熔滴噴涂形成。兩種沉積方式形成的涂層平整、均勻致密、無明顯缺陷。各元素均勻分布在涂層表面，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的元素偏聚現(xiàn)象。

（3）劃痕測(cè)試表明，F(xiàn)eCoCrNiAl1.0涂層出現(xiàn)失效的平均臨界載荷為37.2 N。涂層與基體發(fā)生拋錨結(jié)合的同時(shí)又出現(xiàn)界面間的元素互擴(kuò)散，為典型的冶金結(jié)合界面。

（4）FeCoCrNiAlx涂層的顯微硬度和耐磨性均隨Al 含量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)x=1.0 時(shí)，涂層的平均顯微硬度約為基體的1.62 倍，其耐磨性約為基體的3.9倍，改善了基體材料的摩擦學(xué)性能。