文章摘要：

为了评估高熵合金在海洋应用中的潜力，通过激光熔覆在Q235钢上设计并生产了一种新的AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5高熵合金涂层。详细研究了涂层与YG6硬质合金、GCr15钢和Si₃N₄陶瓷在海水中滑动摩擦后的显微组织、显微硬度和摩擦学性能。AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5涂层显示出异常的“向日葵状”形态，由BCC和有序的B2相组成。显微硬度约为692.5HV，是基体的5倍。该涂层比Q235钢和SUS304（一种用于海水环境的典型材料）在海水中与所有三个耦合球滑动时表现出更优异的摩擦学性能。此外，AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5涂层与YG6在海水中滑动时的磨损和摩擦最为温和。主要原因是AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5涂层在往复滑动过程中产生Mg（OH）₂、CaCO₃、金属氧化物和氢氧化物，并在磨损表面形成保护性抗氧化膜。这将有效地阻碍AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5涂层磨损表面与YG6球之间的直接接触，从而降低摩擦系数和磨损率。因此，YG6是海水中AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5涂层的理想耦合材料，该涂层将成为海洋环境中有前景的耐磨材料。

研究背景：

众所周知，Q235钢作为重要的结构材料具有优异的可焊性和低廉的价格，但耐磨性差严重限制了其应用范围。因此，在Q235钢表面涂覆HEA涂层，并研究

涂层与不同摩擦副在海水中的摩擦情况，对促进Q235钢在海水环境中的应用有着重要意义。

研究内容：

1.材料设计与制备：

设计出了一种新的AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层成分，并采取激光熔覆技术在Q235钢表面制备了AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5高熵合金涂层。

2. 微观结构表征：

（1）XRD与SEM分析：确认了BCC相B2相的存在，并定性和定量分析了各相的元素组成。

（2）TEM分析：进一步确认了“葵花芯部”为B2相，“葵花花瓣”为BCC相。

3. 力学性能测试：

（1）维氏硬度：涂层硬度为692.5HV，约为基材的5倍。

（2）室温摩擦性能：AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5涂层与YG6在海水中滑动时的磨损和摩擦最为温和，即摩擦系数为0.15，磨损率为4.5×10^-7mm³/（N⋅m）。

4.磨损机制分析：

涂层在与YG6对磨材料进行往复滑动过程中产生Mg（OH）₂、CaCO₃、金属氧化物和氢氧化物，并在磨损表面形成保护性抗氧化膜。有效阻碍了涂层与对磨材料间的直接接触，极大降低了摩擦系数和磨损率。

结论：

1.涂层结构设计：涂层具有趣的“向日葵状”微观形貌，包含BCC和B2相。

2.性能优势：涂层硬度为692.5HV，约为基材的5倍。该涂层比Q235钢和SUS304（一种用于海水环境的典型材料）在海水中与所有三个耦合球滑动时表现出更优异的摩擦学性能。此外，AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5涂层与YG6在海水中滑动时的磨损和摩擦最为温和。

3.应用潜力：研究表明，YG6是海水中AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5涂层的理想耦合材料，同时该涂层将成为海洋环境中有前景的耐磨材料。

致谢：

国家自然科学基金项目（no . 51771041、51774065、51671044和51901116）和国家重点研发计划（No.2017YFA0403803）资助

图文速览：

图1.AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层熔覆区中的显微组织：（a）和（b）是熔覆区的SEI-SEM显微照片；（c）是（b）中典型的“向日葵状”微观结构的放大图。

图2. AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层的亮场TEM图像和相应的SAED图案：（a）“向日葵状”微观结构的亮场SEM图像；（b，c）分别为“核心”和“花瓣”区域的亮场图像，相应的SAED图案以插图显示；（d） 花瓣间区域的SAED图案。

图3. AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层的XRD图谱。

图4. AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层的微观硬度分布曲线。

图5. 在人工海水中，样品在不同耦合球上滑动的摩擦系数：（a）AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层、Q235钢和SUS304的平均摩擦系数；（b） HEA涂层的摩擦系数随滑动时间的变化曲线。

图6. AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层、Q235钢和SUS304在人工海水中与不同耦合球滑动的磨损率。

图7. AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层和不同耦合球在人工海水中滑动后磨损表面的SEM图像：（a，a1）涂层/Si3N4，（b，b1）涂层/GCr15，（c，c1）涂层/YG6。

图8. AlCrFeNiW_0.2Ti_0.5 HEA涂层在YG6球上滑动时磨损表面元素的XPS光谱。

【引用】：Hui Liang, Dongxu Qiao, Junwei Miao, Zhiqiang Cao*, Hui Jiang, Tongmin Wang.Anomalous microstructure and tribological evaluation of AlCrFeNiW0.2Ti0.5 high-entropy alloy coating manufactured by laser cladding in seawater. Journal of Materials Science & Technology, 2021,85:224-234.