电火花沉积的AlCrFeCoNi高熵合金涂层在钢材上的应用：微观结构演变、力学性能及腐蚀响应

《Advanced Engineering Materials》：Electrospark-Deposited AlCrFeCoNi High-Entropy Alloy Coatings on Steel: Microstructure Evolution, Mechanical Properties, and Corrosion Response

AlCrFeCoNi高熵合金涂层通过电火花沉积（ESD）在低碳钢上制备，研究其热处理后的显微结构、力学性能及耐腐蚀性。结果表明：热处理（1050℃×4h）促使涂层形成多相结构（FCC相为主），显微硬度从730 HV降至540 HV，屈服强度从1036 MPa降至761 MPa；热处理涂层在NaCl和H2SO4中的腐蚀率分别为5.31和6.17 μA/cm2，显著低于未处理涂层，腐蚀机制涉及相间电偶腐蚀及Al2O3钝化膜形成。研究揭示了ESD工艺参数对涂层性能的影响及相变与耐蚀性关联。

　　高熵合金（High Entropy Alloys, HEAs）近年来因其独特的物理化学性能在材料科学领域引起了广泛关注，尤其是在极端环境下的应用。这些合金通常由五种或更多金属元素以近等原子比组成，形成复杂的微结构和优异的机械性能，包括高硬度、高强度和良好的抗疲劳能力。然而，由于其高脆性，HEAs在作为结构材料时存在局限，因此其在涂层应用中的潜力显得尤为重要。本研究聚焦于AlCrFeCoNi高熵合金涂层在中碳钢基体上的制备及其在热处理后的性能变化，探讨其在腐蚀环境中的表现。

### 微结构与热处理效应

在实验中，采用电火花沉积（Electrospark Deposition, ESD）技术将AlCrFeCoNi HEA涂层沉积在中碳钢基体上。ESD是一种低能量、快速的涂层沉积工艺，能够在较低的热输入下实现材料的沉积，同时允许对电极材料进行精确控制。初始沉积的涂层主要由体心立方（BCC）结构组成，呈现出细小的胞状晶粒，且各元素分布均匀。然而，热处理后，由于元素扩散作用，出现了相分离和元素聚集现象，导致涂层的硬度和屈服强度有所下降。

具体而言，未经热处理的涂层硬度为约730 HV，而经过热处理后硬度降至540 HV，屈服强度从1036 MPa下降至761 MPa。这一变化主要是由于热处理过程中，BCC相的稳定性被打破，导致了FCC相的形成。同时，热处理促使了铬碳化物和铝氮（AlN）的析出，这些析出相在界面区域形成，并对涂层的微结构产生了显著影响。热处理还促进了涂层与基体之间的元素扩散，特别是在界面处，形成了薄层的FCC相和含AlNi的BCC基体，进一步影响了涂层的性能。

### 机械性能与热处理的关系

通过显微硬度测试和纳米压痕实验，研究了不同热处理条件下涂层的机械性能变化。结果显示，热处理后涂层的硬度和屈服强度均有所下降，这与热处理过程中BCC相向FCC相转变以及析出相的形成有关。尽管如此，热处理后的涂层仍表现出优于其他传统涂层技术的性能，例如激光熔覆、气体保护焊等。

此外，研究还发现，热处理过程中，由于界面处的快速熔化和凝固，形成了细小的晶粒结构。同时，界面区域的元素扩散和相变导致了新的结构特征，如富Cr的BCC相和富AlNi的BCC基体，这些结构对涂层的韧性、硬度和耐腐蚀性能具有显著影响。研究还指出，热处理过程中形成的FCC相具有较好的延展性，有助于缓解界面处的应力集中，从而提高涂层的结合强度。

### 腐蚀行为与性能提升

为了评估AlCrFeCoNi HEA涂层在不同腐蚀环境下的表现，研究在0.05 M NaCl和0.5 M H?SO?溶液中进行了电化学腐蚀测试。测试结果显示，热处理后的涂层在两种溶液中的腐蚀速率均低于未经热处理的涂层。在NaCl溶液中，热处理涂层的腐蚀电流密度为10.13 μA cm?2，而未经热处理的涂层为15.44 μA cm?2，下降了约34%。在H?SO?溶液中，热处理涂层的腐蚀电流密度为6.17 μA cm?2，同样显著低于未经热处理的涂层。

这些结果表明，热处理不仅改变了涂层的微结构，还显著提升了其在腐蚀环境中的稳定性。在NaCl溶液中，涂层的腐蚀主要发生在AlNi富集的区域，而Cr富集的FCC和BCC1相则表现出更强的耐腐蚀性。相反，在H?SO?溶液中，AlNi富集的区域则表现出较好的抗腐蚀能力，而Cr富集的相则更容易被腐蚀。这种选择性腐蚀行为可能与涂层中不同相之间的电化学势差异有关，其中Cr富集相作为阴极，而AlNi相作为阳极，导致阳极相的溶解加速。

在H?SO?溶液中，涂层表面形成了Al?O?氧化层，这种氧化层起到了保护作用，阻止了腐蚀性离子（如H?和SO?2?）的进一步扩散，从而降低了腐蚀速率。此外，热处理过程中形成的铬碳化物和AlN相也对涂层的耐腐蚀性提供了额外的增强，因为它们具有较高的硬度和化学稳定性，能够有效抑制裂纹的萌生和扩展。

### 热处理对界面结构的影响

热处理不仅影响了涂层的内部结构，还显著改变了涂层与基体之间的界面特性。在热处理过程中，基体中的碳元素向涂层中扩散，形成了铬碳化物（如Cr?C?和Cr??C?），这些碳化物在界面处的形成对涂层的结合强度和抗裂纹能力起到了积极作用。同时，Al和N的扩散导致了AlN的形成，这种相具有良好的热稳定性和高硬度，能够有效缓解界面处的热应力，从而提高涂层的整体性能。

此外，热处理还促进了界面处的元素扩散，使得AlNi富集的BCC相和Cr富集的FCC相之间的界面变得更加均匀和稳定。这种界面的优化有助于减少涂层与基体之间的应力集中，从而提高涂层的附着力和使用寿命。

### 结论与应用前景

本研究通过ESD技术制备了AlCrFeCoNi HEA涂层，并系统分析了其在热处理后的微结构、机械性能和腐蚀行为。研究结果表明，未经热处理的涂层具有较高的硬度和屈服强度，但其耐腐蚀性能略逊于热处理后的涂层。热处理虽然降低了涂层的硬度和强度，但显著提升了其在腐蚀环境中的稳定性，特别是在酸性溶液中，形成了有效的保护层，降低了腐蚀速率。

此外，热处理过程中形成的相变和析出相对涂层的性能产生了复杂的影响。虽然某些相的形成会降低涂层的硬度，但它们的出现也增强了涂层的耐腐蚀性和界面稳定性。这些发现为高熵合金在极端环境下的应用提供了新的思路，尤其是在需要高耐腐蚀性和良好结合性能的工业场景中，如海洋工程、化工设备和高温部件等。

未来的研究可以进一步探索不同热处理参数对涂层性能的影响，以及如何通过优化热处理条件来平衡涂层的硬度和耐腐蚀性。此外，还可以研究涂层在不同基体材料上的适用性，以及其在不同环境条件下的长期稳定性。这些研究将有助于推动高熵合金在更多领域的应用，提升其在工业中的价值。