热处理FeCrCoMnSi高熵合金涂层的摩擦腐蚀性能

《Surface and Coatings Technology》：Tribocorrosion properties of heat-treated FeCrCoMnSi x high-entropy alloy coatings

本研究采用激光熔覆技术在45钢表面制备FeCrCoMnSi_x高熵合金涂层，经600℃退火处理，发现退火显著细化涂层显微组织并减少缺陷，Si含量0.6的涂层硬度达551.3 HV，腐蚀电流密度降低17%，摩擦系数下降25%，展现出优异的耐摩擦腐蚀性能。

　　在现代材料科学与工程领域，高熵合金（High Entropy Alloys, HEAs）因其独特的性能优势而受到广泛关注。这类合金通常由五种或更多种主元素组成，具有高熵效应、晶格畸变效应、延迟扩散效应以及协同效应等显著特性，使其在强度、硬度、耐磨性及耐腐蚀性等方面表现出优异的表现。特别是在表面工程中，通过激光熔覆技术将高熵合金涂层沉积在基体材料表面，成为提升材料表面性能的重要手段。本研究聚焦于FeCrCoMnSi?高熵合金涂层，探讨其在不同硅（Si）含量下的摩擦腐蚀行为及其与微观结构和相组成之间的关系，旨在揭示热处理对这类涂层性能的影响机制。

45钢作为一种广泛应用的结构材料，因其良好的综合机械性能、加工性能以及成本效益，成为许多工业应用中的核心材料。然而，在实际使用过程中，尤其是在高盐、高湿度或交变载荷等复杂环境下，45钢的耐磨性和耐腐蚀性往往成为制约其应用的瓶颈。因此，对45钢进行表面改性，如通过涂层技术，成为提升其性能的关键策略。激光熔覆技术因其高能量密度、快速加热与冷却速率、较小的热影响区以及涂层与基体之间的良好冶金结合等优势，被广泛用于表面改性。研究表明，通过激光熔覆在45钢表面制备Fe基合金涂层，能够显著提升其表面硬度，并形成一层致密的铬氧化物膜，有效降低腐蚀速率，增强涂层的耐腐蚀性能。

随着高熵合金的快速发展，其在表面工程中的应用也逐渐扩大。FeCrCoMnSi?高熵合金作为其中的一种，其结构和性能在不同Si含量下表现出显著差异。本研究通过激光熔覆技术将FeCrCoMnSi?高熵合金涂层制备在45钢基体上，并对其进行600℃、1小时的热处理。研究发现，经过热处理后，FeCrCoMnSi?涂层仍主要由面心立方（FCC）和体心立方（BCC）双相固溶结构组成，但其微观结构得到了细化，缺陷数量减少。特别地，当Si含量较低时，涂层呈现出致密的共晶结构，而Si含量为0.6时，涂层形成了细化的等轴晶结构。这一现象表明，Si元素的引入对涂层的微观结构具有重要影响，能够有效改善其致密性。

热处理过程中，析出的金属硅化物显著提升了涂层的整体硬度。其中，Si?.?涂层的硬度达到551.3 HV，显示出优异的机械性能。此外，电化学分析表明，经过热处理后，涂层在3.5% NaCl溶液中的耐腐蚀性能得到了提升。细小的再结晶结构和较低的缺陷密度能够有效延缓点蚀的形成，提高材料的抗腐蚀能力。Si?.?涂层的自腐蚀电流密度从1.1484×10?? A·cm?2降至9.5076×10?? A·cm?2，降低了17%。同时，其自腐蚀电位也从-0.329 V提升至-0.301 V，进一步表明其在腐蚀环境中的稳定性得到了增强。这些结果表明，Si?.?涂层在耐腐蚀性方面表现出最佳性能，其腐蚀防护效率达到了94.17%。

在摩擦腐蚀性能方面，研究发现，在3.5% NaCl溶液中，涂层在摩擦与腐蚀的耦合作用下会发生界面反应，生成Cr和Si的氧化物。这些氧化物不仅降低了摩擦系数（COF），还有效提升了涂层对氧化磨损和Cl?侵蚀的抵抗能力。具体而言，Si?.?涂层的COF和磨损损失分别降低至0.1524和2.2268×10?? mm3/N·m，相比未经热处理的Si?.?涂层（0.202和4.0598×10?? mm3/N·m），COF下降了25%，磨损损失减少了45%。这表明，热处理不仅改善了涂层的微观结构，还显著增强了其在摩擦腐蚀环境下的综合性能。

从材料科学的角度来看，高熵合金的快速凝固过程会导致内部应力增加以及气孔、微裂纹等缺陷的产生。这些缺陷不仅影响涂层的力学性能，还可能成为腐蚀的起始点。因此，适当的热处理对于消除这些缺陷至关重要。热处理能够促进高熵合金涂层的再结晶，使其微观结构更加均匀和致密，从而有效提高其综合性能。此外，热处理还能够缓解快速凝固过程中元素偏析的问题，进一步优化涂层的组织结构。研究表明，热处理不仅能够改善高熵合金涂层的微观结构，还能够通过析出强化相，如金属硅化物，提升其硬度和耐磨性。

在本研究中，通过系统的实验分析，揭示了FeCrCoMnSi?高熵合金涂层在不同Si含量下的摩擦腐蚀行为与微观结构之间的内在联系。结果表明，热处理能够显著改善涂层的综合性能，尤其是在Si含量为0.6时，其硬度、耐腐蚀性和摩擦腐蚀性能均达到最佳状态。这一发现不仅为高熵合金涂层的优化设计提供了理论依据，也为相关工程应用提供了重要的参考价值。通过调整Si含量并结合热处理工艺，可以实现对高熵合金涂层性能的精准调控，从而满足不同应用场景下的需求。

此外，本研究还强调了热处理对高熵合金涂层性能提升的多重作用。首先，热处理能够有效消除快速凝固过程中产生的微观缺陷，如气孔和微裂纹，从而提高涂层的致密性和结构稳定性。其次，热处理可以促进涂层中析出金属硅化物，这些析出相不仅能够提升涂层的硬度，还能增强其抗腐蚀能力。再次，热处理能够改善涂层的微观结构，使其晶粒尺寸更加均匀，晶界更加致密，从而减少腐蚀和摩擦的路径。最后，热处理还能够通过改变相组成，优化涂层的综合性能，使其在摩擦腐蚀环境下表现出更优异的抗磨和抗蚀能力。

在实际工程应用中，高熵合金涂层的性能优化具有重要的意义。例如，在海洋环境、化工设备或高温高湿工况下，材料的耐腐蚀性和耐磨性往往成为关键指标。通过合理的Si含量设计和热处理工艺，可以有效提升高熵合金涂层在这些复杂环境中的适应能力。同时，这一研究也为其他类型的高熵合金涂层提供了借鉴，展示了如何通过材料组成和热处理工艺的协同作用，实现涂层性能的全面提升。

在研究方法上，本研究采用了多种先进的分析手段，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及电化学测试等，全面评估了涂层的微观结构和摩擦腐蚀性能。这些技术手段不仅能够准确识别涂层的相组成，还能揭示其微观结构的变化规律。同时，电化学测试结果表明，涂层的耐腐蚀性能与自腐蚀电流密度和自腐蚀电位密切相关，而摩擦腐蚀性能则与摩擦系数和磨损损失直接相关。因此，通过综合分析这些性能指标，可以更全面地理解热处理对高熵合金涂层的影响机制。

从材料性能的角度来看，高熵合金涂层在不同Si含量下的表现差异显著。Si含量较低的涂层虽然具有一定的硬度和耐磨性，但其耐腐蚀性能相对较弱，容易在腐蚀环境中发生点蚀或氧化磨损。而随着Si含量的增加，涂层的硬度和耐磨性进一步提升，同时其耐腐蚀性能也得到改善。这一趋势表明，Si元素在高熵合金涂层中扮演着双重角色：一方面，它能够通过形成金属硅化物增强涂层的硬度和耐磨性；另一方面，它还能通过改变相组成和微观结构，提高涂层的抗腐蚀能力。因此，合理控制Si含量对于实现高熵合金涂层的性能优化至关重要。

在实际应用中，高熵合金涂层的性能不仅取决于其组成和热处理工艺，还受到环境因素的影响。例如，在含氯离子的腐蚀环境中，涂层的抗蚀能力可能受到Cl?侵蚀的挑战。而通过热处理，可以有效提升涂层的致密性和相稳定性，从而增强其对Cl?侵蚀的抵抗能力。此外，摩擦腐蚀环境中的界面反应也对涂层性能产生重要影响，生成的Cr和Si氧化物不仅能够降低摩擦系数，还能形成保护层，减缓材料的磨损和腐蚀进程。

综上所述，本研究通过系统分析FeCrCoMnSi?高熵合金涂层在不同Si含量下的摩擦腐蚀行为及其与微观结构和相组成的关系，揭示了热处理对涂层性能提升的关键作用。研究结果表明，Si?.?涂层在热处理后表现出最佳的综合性能，其硬度、耐腐蚀性和摩擦腐蚀性能均显著优于其他Si含量的涂层。这些发现不仅为高熵合金涂层的设计和优化提供了新的思路，也为相关工程应用提供了重要的理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探讨不同热处理温度和时间对涂层性能的影响，以及如何通过材料组成和工艺参数的协同优化，实现更高性能的高熵合金涂层。