文章摘要：

采用激光熔覆技术在Q235钢上设计并制备了Al_1.5CrFeNiWTi_0.5高熵合金涂层，该涂层具有趣的“岛状”微观结构，含有BCC和Laves相。其硬度为880HV，约为基材的6.4倍。Al_1.5CrFeNiWTi_0.5涂层大大提高了Q235钢基体的摩擦学性能，在去离子水中具有最低的摩擦系数（0.26）和磨损率（5.15×10^-7mm³/（N⋅m））。这主要归因于涂层表面材料的水解和氧化反应。反应产物可以提高承载能力，有效隔离涂层和耦合球的直接接触，从而减少收缩和磨损。Al_1.5CrFeNiWTi_0.5涂层将成为水润滑环境下耐磨材料的有前景的选择。

研究背景：

近年来，典型的CoCrFeNi HEA引起了广泛关注。它由简单的FCC相组成，具有83%的优异延展性，但硬度仅为约160 HV。根据阿尔查德定律，试样的耐磨性通常与其硬度密切相关。因此，为了提高耐磨性，本文提出了一种新的Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA成分，其具有包含BCC和Laves相的“岛状”微观结构。添加W、Al和Ti元素是基于它们对提高硬度和耐磨性的显著作用. 删除Co是为了节省成本。众所周知，激光熔覆具有稀释率低、涂层与基材结合良好、节省成本等优点，有利于工程应用。此外，Q235作为一种重要的结构材料，具有良好的可焊性和低廉的价格，但其较差的耐磨性严重制约了其工业应用范围。因此，在这项工作中，通过激光熔覆在Q235钢上设计并合成了具有趣“岛状”微观结构的新型Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层。详细探讨了其在干燥和去离子水环境下的微观结构、硬度和摩擦学性能，同时深入揭示了其相应的磨损机理，有望为水润滑条件下的耐磨金属的选择提供思路

研究内容：

1.材料设计与制备：

通过在CoCrFeNi合金成分中添加Al、W和Ti元素，设计出了一种新的Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层成分，并采取激光熔覆技术在Q235钢上制备了Al_1.5CrFeNiWTi_0.5高熵合金涂层。

2. 微观结构表征：

（1）XRD与SEM分析：确认了两种BCC相及Laves相的存在，并定性和定量分析了各相的元素组成。

（2）TEM分析：进一步确认了两种BCC相及Laves相的存在。

3. 力学性能测试：

（1）维氏硬度：涂层硬度为880HV，约为基材的6.4倍。

（2）室温摩擦性能：涂层在去离子水中具有最低的摩擦系数（0.26）和磨损率（5.15×10-7mm3/（N⋅m））。

4.磨损机制分析：

涂层在反复滑动作用下产生水解和氧化反应。

结论：

1.涂层结构设计：涂层具有趣的“岛状”微观结构，含有两个BCC和Laves相。

2.性能优势：涂层硬度为880HV，约为基材的6.4倍。涂层在去离子水中的摩擦系数为0.26以及磨损率为5.15×10^-7mm³/（N⋅m）。涂层的优异耐磨性归因于在反复滑动作用下产生水解和氧化反应。

3.应用潜力：该研究为水润滑环境下耐磨材料的选择提供了借鉴作用，尤其在海洋和潮湿环境的应用中具有重要价值。

致谢：

国家自然科学基金项目（no .52271024、52101036、51901116）、辽宁师范大学博士生创业基金（No.2022BSL005、2021BSL023）以及国家重点研发计划（2018YFE0306103）资助。

图文速览：

图1.Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层的SEM结果：（a）横截面的SEM-SEI显微照片；（b） BZ放大图；（c） CZ的SEM-SEI显微照片；（d） 线分析结果（从涂层表面到基材）。

图2. Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层的TEM结果：（a）“岛状”微观结构的明场TEM图像；（b）-（d）A、B和C区域的选区衍射图像。

图3. Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层的XRD结果。

图4. Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层的硬度分布图。

图5. Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层和Q235钢基体在干燥和去离子水条件下的摩擦系数。

图6. Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层和Q235钢基材在干燥和去离子水条件下的磨损率。

图7.在干燥和去离子水条件下滑动后，Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层和Q235钢基材的磨损轨迹的3D表面轮廓（a-d）和轮廓深度（e）。

图8.不同条件下样品和耦合球的磨损表面：Q235基材（a）和相应的GCr15球（a1）在干滑动条件下；在干滑动条件下，Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层（b）和相应的GCr15球（b1）；Q235基材（c）和相应的GCr15球（c1）在去离子水中的溶液；Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层（d）和相应的GCr15球（d1）在去离子水中的溶液。

图9.去离子水中Al_1.5CrFeNiWTi_0.5 HEA涂层磨损表面元素的XPS光谱结果：（a）Al；（b）Cr；（c）Fe；（d）Ni；（e）W；（f）Ti。

【引用】：Hui Liang, Jinxin Hou, Zhiqiang Cao*, Li Jiang. Interesting 'island-like' microstructure and tribological evaluation of Al1.5CrFeNiWTi0.5 high entropy alloy coating manufactured by laser cladding. Tribology International, 2023, 179: 108171.