钪在AlCoCrFeMo高熵合金粉末的机械合金化中的作用及其在火焰喷涂涂层沉积中的应用

《Powder Technology》：Role of scandium in mechanical alloying of AlCoCrFeMo high-entropy alloy powders for flame spray coating deposition

Sc掺杂AlCoCrFeMo高熵合金的机械合金化与火焰喷涂制备及性能研究。通过球磨优化工艺参数，确定12小时110rpm为最佳条件，实现钪均匀分布。XRD和SEM-EDS分析表明钪溶度极限为0.2-0.3wt%，火焰喷涂涂层硬度达979HV0.3，较基体提升104%，主要机制包括晶粒细化、固溶强化及氧化物相形成。

　　高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）作为一种新型的多组元材料，近年来在航空航天、国防和能源等领域引起了广泛关注。这类合金通常由五种或更多元素组成，其摩尔分数在5%至35%之间，这种独特的成分设计赋予了HEAs一系列优异的性能，包括高强度、高热稳定性、优异的抗氧化和抗腐蚀能力，以及在高温下的良好抗蠕变性能。HEAs的这些特性主要来源于其四个核心效应：高配分熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应以及混合效应（cocktail effect）。其中，高配分熵效应通过增加系统的熵值，稳定了主要的晶格结构，如体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方密堆积（HCP）结构。而缓慢扩散效应则促进了纳米晶和非晶相的形成，进一步提升了材料的机械性能和耐腐蚀性。晶格畸变效应则来源于合金元素之间的固溶和析出相，这种效应显著增强了材料的强度和韧性。混合效应则允许通过精确的成分调整，实现材料性能的优化，使其在各种极端应用中表现出卓越的性能。

随着航空航天、国防和能源等领域的快速发展，对能够在极端环境下保持稳定性能的先进材料的需求也日益增加。因此，对高熵合金的研究逐渐深入，尤其是在如何通过添加微量元素进一步提升其性能方面。Scandium（Sc）作为一种稀土元素，因其在促进晶粒细化、增强机械性能方面的潜力而受到高度重视。Sc通过形成如Al?Sc或Al?(Sc, Zr)等析出相，为材料提供了有效的形核位点，抑制了晶粒生长，从而提升了材料的强度和延展性。此外，Sc还能稳定多组元合金中的相结构，例如促进BCC或Laves相的形成，从而优化材料的综合性能。这些特性使得Sc成为一种极具前景的微合金化元素，特别是在高熵合金的开发中。

在本研究中，通过机械合金化（Mechanical Alloying, MA）技术，将Sc掺杂到AlCoCrFeMo高熵合金中，以提升其微观结构、相稳定性和机械性能。机械合金化是一种固态加工方法，利用球磨机对粉末进行高强度的碰撞和剪切作用，使粉末颗粒发生严重的塑性变形，进而实现成分的均匀混合和微结构的细化。与传统的液态加工方法相比，机械合金化能够有效避免元素蒸发和相分离等难题，同时还能提高固溶度的上限，使合金具有更均匀的元素分布和更精细的晶粒结构。此外，该方法还能够控制粉末的形貌和粒径分布，使其更适合后续的热喷涂工艺，用于制造高性能的防护涂层。

本研究通过优化机械合金化参数，包括球磨时间、速度和球粉比等，确定了在110 rpm下进行12小时球磨能够实现Sc在AlCoCrFeMo高熵合金基体中的均匀分布。实验中，研究了0.1 wt%、0.3 wt%和0.5 wt%三种Sc含量对合金性能的影响。结果表明，Sc的固溶度极限在0.2至0.3 wt%之间，这一发现为高熵合金的设计提供了重要的理论依据。通过热喷涂技术，将这些Sc掺杂的粉末制成涂层，并对其微观结构和硬度进行了系统分析。结果显示，Sc掺杂的涂层表现出更精细的溅射形态、更低的孔隙率以及显著提升的硬度，其中最高硬度达到979 HV_0.3。这些性能的提升归因于Sc在合金中的晶粒细化作用、固溶强化效应以及析出相的形成，这些因素共同作用，使涂层具备了更高的机械强度和耐磨性。

为了进一步评估Sc掺杂对高熵合金性能的影响，研究团队对机械合金化后的粉末进行了详细的表征分析，包括扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）。SEM图像显示，随着球磨时间的增加，粉末的形貌从球形逐渐转变为不规则的片状结构，这一变化反映了球磨过程中颗粒的破碎和冷焊现象。EDS分析则揭示了Sc在粉末中的分布情况，结果显示，在12小时球磨后，Sc能够均匀地分布在基体中，而在较短的球磨时间下，Sc的分布存在局部聚集现象，表明合金化过程尚未完全完成。这些结果表明，球磨时间对Sc的均匀分布至关重要，12小时被认为是实现Sc均匀掺杂的最佳时间。

在热喷涂涂层的制备过程中，研究团队采用了一种优化的工艺参数，包括恒定的喷枪移动速度、喷枪与基材之间的距离以及氩气作为载气。通过这些参数的精确控制，实现了涂层的均匀沉积和良好的表面质量。对涂层的BSE图像和EDS分析显示，Sc的掺杂显著改善了涂层的微观结构，使其呈现出更细小的晶粒和更均匀的成分分布。此外，涂层中的复杂氧化物和尖晶石氧化物相的形成也与Sc的掺杂密切相关，这些氧化物相不仅提高了涂层的硬度，还增强了其在高温和腐蚀环境下的稳定性。

本研究还对不同Sc含量的涂层进行了硬度测试，结果表明，Sc掺杂的涂层硬度显著高于未掺杂的基体合金。具体而言，Sc-0.1 wt%、Sc-0.3 wt%和Sc-0.5 wt%的涂层硬度分别提高了57%、104%和85%。这种硬度的提升主要归因于Sc的固溶强化效应和析出相的形成，这些效应共同作用，使涂层在高温和极端环境下表现出优异的机械性能。此外，涂层的孔隙率也显著降低，表明Sc的掺杂有效改善了涂层的致密性，从而提升了其在实际应用中的可靠性。

研究还发现，Sc的掺杂不仅影响了涂层的硬度和孔隙率，还改变了其微观结构。XRD分析表明，Sc的加入促进了BCC和FCC相的形成，同时引入了新的复杂氧化物和尖晶石氧化物相。这些相的存在不仅增加了涂层的硬度，还增强了其抗氧化和抗腐蚀能力。通过Scherrer方程计算得到的晶粒尺寸进一步支持了这一结论，显示随着Sc含量的增加，晶粒尺寸逐渐减小，但在0.5 wt%时略有回升，这可能与Sc在基体中的固溶度极限有关。此外，XRD结果还表明，Sc的加入增加了晶格应变，这种应变有效地阻碍了位错的运动，从而提升了材料的强度和韧性。

综上所述，本研究通过机械合金化技术成功地将Sc掺杂到AlCoCrFeMo高熵合金中，并确定了Sc的固溶度极限在0.2至0.3 wt%之间。Sc的掺杂显著改善了合金的微观结构，提升了其硬度和致密性，使其在高温和极端环境下表现出优异的性能。这些发现不仅为高熵合金的设计和优化提供了重要的理论依据，也为未来在航空航天、国防和能源等领域的应用奠定了基础。此外，研究还指出，Sc作为一种稀有元素，虽然成本较高，但其在涂层中的微合金化作用使得其在高性能材料中具有较高的经济可行性。未来的研究将进一步探索Sc掺杂高熵合金在增材制造等先进制造工艺中的应用潜力，以期实现更广泛的实际应用。