HVOF喷涂参数对CoCrFeNiMo高熵合金涂层摩擦学行为的影响

《Surface and Coatings Technology》：Influence of HVOF spray parameters on tribological behavior in CoCrFeNiMo high-entropy alloy coatings

优化高速氧燃料喷涂参数可有效提升CoCrFeNiMo高熵涂层硬度（+17%）和弹性模量（+21.5%），孔隙率从1.24%降至0.43%。通过结合数字方法重建孔隙几何结构，发现孔隙周围von Mises应力集中是裂纹萌生的主因，最终形成涂层剥离。该研究建立了喷涂参数-孔隙分布-磨损行为的定量关联模型，为高耐磨涂层设计提供理论支撑。

　　高熵合金因其独特的性能在现代材料科学中受到广泛关注。这类合金通常由五种或更多种主要金属元素组成，具有高配置熵、优异的硬度、结构稳定性和出色的耐磨性等优点，使其成为极端环境下机械部件表面保护材料的理想选择。在众多高熵合金中，CoCrFeNiMo因其在高温和高载荷条件下的优异性能，被研究者视为一种具有广泛应用前景的材料。然而，其实际应用仍面临一些挑战，尤其是在热喷涂工艺中，涂层的微观结构和宏观性能之间的关系尚未完全阐明。因此，优化高熵合金涂层的喷涂参数，以调节其摩擦学性能，成为当前研究的重要方向。

本研究通过系统调整氧气和航空煤油的流量，制备了三种CoCrFeNiMo高熵合金涂层，并对它们的微观结构和摩擦学性能进行了深入分析。实验结果表明，增加燃料流量可以显著提高热输入，从而改善颗粒的熔化状态，降低涂层的孔隙率。孔隙率从1.24%降低至0.43%，这直接导致了涂层硬度和弹性模量的提升，分别增加了17%和21.5%。这一发现揭示了喷涂参数对涂层质量的直接影响，特别是在控制颗粒熔化状态和减少孔隙方面。

在摩擦学评估中，尽管所有涂层的磨损机制均为磨粒磨损，但经过优化的涂层展现出最佳的耐磨性能。其原因在于，优化后的涂层具有更致密的微观结构和更高的硬度值，从而在摩擦过程中能够更有效地抵抗磨损。值得注意的是，研究中采用了数字方法与有限元建模相结合的方式，对孔隙几何结构进行了重建。这种方法清晰地揭示了在滑动接触过程中，孔隙周围会出现显著的von Mises应力集中现象。这些应力集中区域成为裂纹萌生的起点，随后裂纹会沿着这些区域扩展，最终导致涂层剥离。

孔隙的存在不仅影响涂层的机械性能，还在磨损过程中发挥着双重作用。一方面，孔隙作为应力集中点，在循环载荷下会引发微裂纹的形成；另一方面，孔隙还可能成为氧气渗透的通道，加速氧化磨损的发生。尽管已有研究表明，降低孔隙率可以提高涂层的耐磨性，但如何定量地理解孔隙诱导的应力集中如何直接控制裂纹的萌生与扩展，仍然是一个尚未完全解决的问题。

传统的方法在分析涂层的摩擦学行为时，往往将涂层的微观结构视为均质的连续体，忽略了真实、不规则孔隙结构对局部应力分布的影响。这种简化处理虽然便于建模，却无法准确反映实际磨损过程中复杂的力学行为。为了弥补这一缺陷，本研究提出了一种结合实验与计算的方法，通过数字化和重建孔隙几何结构，构建了更精确的有限元模型。该模型能够可视化分析滑动接触过程中孔隙周围的von Mises应力分布，从而直接揭示裂纹萌生的机制。

通过这一方法，研究团队不仅能够更深入地理解喷涂参数、孔隙诱导的应力分布与宏观磨损行为之间的定量关系，还为未来设计具有更高耐磨性的高熵合金涂层提供了重要的理论依据。具体而言，该研究强调了在热喷涂过程中，精确控制喷涂火焰温度和颗粒沉积速度（尤其是氧气和燃料的流量）对于优化涂层性能的关键作用。通过调整这些参数，可以有效控制飞行过程中颗粒的温度和速度，进而影响颗粒的熔化程度、撞击后的扁平化行为以及最终涂层的致密程度。

此外，本研究还对喷涂粉末的特性进行了详细表征。所使用的商用CoCrFeNiMo高熵合金粉末具有10-53微米的名义粒径，并且纯度超过99.9%。在喷涂前，利用扫描电子显微镜（SEM）结合X射线能谱分析（EDS）对粉末的表面形貌和元素分布进行了分析。SEM的测试电压范围设定为10千伏，以确保对粉末的高分辨率成像。同时，激光粒径分析仪也被用于评估粉末的粒径分布，以进一步确认其物理特性。

在对涂层的微观结构和机械性能进行分析时，研究团队利用SEM和EDS对三种样品（S1、S2和S3）的表面进行了观察。S1样品的表面主要由部分熔化的颗粒和少量未熔化的颗粒组成，表明其喷涂参数可能未能充分激发颗粒的熔化状态。相比之下，S2样品的表面显示出更优的熔化状态，颗粒的熔化程度更高，从而减少了未熔颗粒的数量。S3样品的表面则进一步表现出更致密的结构，这与较低的孔隙率和较高的硬度值相吻合。通过对比不同样品的表面形貌和元素分布，研究团队能够更清晰地理解喷涂参数如何影响颗粒的熔化程度，以及由此引发的微观结构变化。

在分析涂层的机械性能时，研究团队还特别关注了涂层硬度和弹性模量的变化。实验结果表明，随着喷涂参数的优化，涂层的硬度和弹性模量均显著提高。这一现象与颗粒熔化程度的提升密切相关，因为熔化的颗粒在沉积过程中能够更好地相互融合，形成更致密的微观结构。同时，颗粒在高速沉积过程中的塑性变形也对涂层的机械性能产生了积极影响。这种塑性变形不仅有助于颗粒之间的紧密接触，还能够增强涂层的整体强度和韧性。

除了机械性能的提升，涂层的摩擦学行为也得到了充分研究。通过摩擦测试，研究团队发现，优化后的涂层在摩擦过程中表现出更优异的耐磨性。这一结果不仅与涂层的硬度和致密性有关，还与孔隙诱导的应力集中现象密切相关。在滑动接触过程中，孔隙周围的应力集中会引发裂纹的萌生和扩展，从而影响涂层的整体性能。因此，减少孔隙的数量和尺寸，不仅可以提高涂层的机械性能，还能有效降低其在摩擦过程中的磨损速率。

本研究的意义在于，它提供了一种新的方法来分析和优化高熵合金涂层的摩擦学性能。通过结合实验与计算，研究团队能够更精确地模拟涂层在摩擦过程中的行为，并揭示孔隙结构与宏观性能之间的关系。这种方法不仅有助于理解高熵合金涂层的磨损机制，还为未来设计具有更高性能的涂层提供了理论支持。通过精确控制喷涂参数，可以实现对涂层微观结构的优化，从而进一步提升其在高温和高载荷环境下的应用潜力。

此外，本研究还强调了在热喷涂过程中，对喷涂火焰温度和颗粒沉积速度的精确调控的重要性。火焰温度和颗粒速度是影响颗粒熔化状态和涂层质量的关键因素，因此，对这些参数的优化能够直接提升涂层的性能。特别是在氧气和燃料流量的调整方面，研究团队发现，增加燃料流量可以显著提高热输入，从而改善颗粒的熔化状态。这种优化不仅能够减少孔隙的数量，还能提高涂层的致密性，进而提升其硬度和弹性模量。

为了更全面地理解涂层的性能，研究团队还对涂层的孔隙结构进行了详细的分析。通过数字化方法，他们能够重建孔隙的几何结构，并利用有限元建模技术来模拟滑动接触过程中孔隙周围的应力分布。这种方法不仅提供了对涂层微观结构的直观认识，还能够揭示孔隙在摩擦过程中的具体作用。通过可视化分析，研究团队能够更清晰地看到裂纹是如何在应力集中区域萌生并扩展的，从而进一步理解涂层的磨损机制。

在实验设计方面，研究团队采用了多种分析手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱分析（EDS）和激光粒径分析仪等。这些工具的使用确保了对喷涂粉末和涂层性能的全面表征。同时，有限元建模技术的应用使得研究团队能够在不依赖传统假设的情况下，对涂层的摩擦学行为进行更精确的模拟。这种方法的引入为高熵合金涂层的研究开辟了新的途径，使得研究者能够更深入地探讨涂层微观结构与宏观性能之间的关系。

总的来说，本研究通过系统调整喷涂参数，成功制备了三种CoCrFeNiMo高熵合金涂层，并对其微观结构和摩擦学性能进行了深入分析。研究结果表明，优化喷涂参数可以显著改善涂层的性能，特别是在降低孔隙率和提升硬度方面。同时，研究团队还利用数字化方法和有限元建模技术，揭示了孔隙诱导的应力集中如何影响裂纹的萌生和扩展，为未来设计高耐磨性涂层提供了重要的理论依据。这一研究不仅拓展了高熵合金在表面工程领域的应用前景，还为相关领域的研究者提供了新的思路和方法。