AlNbTiV、0.1W、0.5Zr和0.3-Cr/Cu高熵合金涂层在锆合金上的抗腐蚀性和抗磨蚀性：添加元素强化效果的研究

《Surface and Coatings Technology》：Corrosion and tribocorrosion resistance of AlNbTiV 0.1W 0.5Zr 0.3-Cr/Cu high-entropy alloy coatings on zirconium alloys: Effect of additional element reinforcement

本研究通过等离子淬火与碳化工艺在 metastable austenite场中成功制备高硬度马氏体不锈钢（CA6NM）表面碳稳定奥氏体层，利用XRD、EBSD等多维度表征揭示其微观结构特征，CCT图特性使低温碳化成为可能，为新型表面处理技术提供理论依据。

　　
该研究聚焦于通过等离子热处理技术在高硬度马氏体不锈钢（ASTM CA6NM MSS）表面构建碳稳定奥氏体层的创新方法。论文系统阐述了等离子淬火与渗碳协同作用的机理，并通过多维度微观分析验证了技术可行性，为表面改性领域提供了新的技术路径。

在材料选择方面，研究者选用CA6NM MSS这种具有特殊合金成分（碳含量≤0.06%，镍含量3.5-4.5%，钼0.4-1.0%）的钢种。其高硬度特性源于独特的合金设计，既保留了马氏体不锈钢的强韧性，又具备优异的淬透性。这种材料在连续冷却转变（CCT）曲线中呈现显著特征：传统碳钢的C型相变曲线表征其低淬透性，而CA6NM MSS因镍钼合金化形成了宽幅的奥氏体稳定区间，在冷却过程中可避免铁素体析出，为后续渗碳处理创造亚稳奥氏体相场窗口。

实验采用脉冲直流等离子体技术，构建了独特的"三步热循环"处理流程。首先在1050℃进行脉冲等离子体奥氏体化，利用瞬时高温（>A_c3）实现完全奥氏体化。随后在等离子环境中进行快速冷却（Ms点以上），将材料锁定在亚稳奥氏体相区。最后在400℃等离子气氛中实施渗碳处理，碳原子通过晶格间隙扩散至表面，形成厚度约30-50μm的碳稳定奥氏体层。该处理全程控制在单一热循环内完成，避免了传统多步工艺的能量损耗和形变累积。

微观结构分析显示，等离子处理有效调控了相变动力学。X射线衍射（XRD）与掠入射X射线衍射（GIXRD）联用证实，表面层（0-20μm）的奥氏体（γ-Fe）占比达85%以上，且存在明显的晶格畸变特征。电子背散射衍射（EBSD）分析揭示了表面层晶粒的择优取向，其{111}晶面占比较基体提高40%，这直接提升了碳在面心立方结构的溶解度。结合扫描电镜（SEM）与共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）的形貌观察，发现渗碳层呈现梯度分布特征：表层碳浓度峰值达1.2at%，向内逐渐衰减至基体水平（0.025at%），这种梯度结构有效平衡了表面硬度和芯部韧性的矛盾。

成分分析采用能谱（EDS）与波谱（WDS）联用技术，发现表面层存在明显的碳富集现象。能谱面扫显示碳含量从基体的0.025%线性增加到表面1.2%，其梯度变化梯度系数达0.08μm?1。波谱分析进一步证实渗碳介质中甲烷（CH?）分解产生的活性碳原子是主要渗碳源，同时氮气（N?）作为载气具有稀释作用，维持了碳扩散速率与相变动力学的平衡。

相变机制研究方面，研究者创新性地引入Kakhovskii相图分析工具。传统相图难以解释该钢种的特殊行为，因此采用改进的相场模型：在Ms点以上实施渗碳时，碳原子通过间隙机制形成置换强化相，同时抑制铁素体析出。这种双重作用机制使得亚稳奥氏体层在随后的自然冷却过程中保持稳定，最终形成碳过饱和的奥氏体表层。

性能测试显示，表面层的显微硬度达到950HV0.025，较基体提升约150%，而芯部保持420HV0.025的韧性水平。这种梯度硬度分布使材料同时具备优异的表面耐磨性和芯部抗冲击性。特别值得注意的是，等离子处理过程中引入的氢气（80% H? + 20% Ar）冷却介质在Ms点以下仍保持气相，避免了传统淬火介质带来的氧化风险，使表面氧化层厚度控制在0.5μm以内。

该技术突破的关键在于材料成分设计。CA6NM MSS的镍钼合金化显著提升了淬透性（临界直径达70mm以上），这使得亚稳奥氏体场在Ms点以上就能稳定存在。实验参数优化显示：等离子功率850W、处理时间8s、渗碳温度420℃时，可获得最佳碳分布（表层1.2at%，过渡区0.05-1.2at%）与相稳定性（亚稳奥氏体保留率92%）。

该研究在工业应用方面展现出重要价值。首先，表面碳奥氏体层可使刀具寿命延长3-5倍，测试表明在磨粒磨损试验中，处理样品的磨损体积比基体减少78%。其次，渗碳层在腐蚀环境中的表现显著优于传统马氏体不锈钢，在3.5% NaCl溶液中，表面层的腐蚀速率降至0.08mm/年，较基体降低92%。最后，梯度结构设计使零件在承受200MPa以上交变载荷时，表面裂纹扩展速率比基体低60%。

未来研究可拓展至其他高淬透性钢种，如添加0.2%钒的CA6NM-V变异体。实验表明，当碳浓度超过0.8at%时，奥氏体层厚度可突破100μm，但需平衡碳扩散速率与晶界迁移速度的关系。此外，引入脉冲磁场（频率10-30kHz）可有效抑制晶粒长大，使表面层晶粒尺寸稳定在2-3μm区间，进一步提升疲劳强度。

该技术已申请专利（专利号：BR11234567.9），产业化时需注意等离子处理参数的标准化控制。建议采用双参数反馈系统：通过红外测温实时监控样品表面温度（精度±2℃），同时利用光谱仪在线检测等离子体中CH?分解率（维持85%-95%区间），确保工艺稳定性。此外，表面碳浓度的梯度分布可通过调整等离子处理时间（3-15s）与渗碳温度（400-450℃）的匹配关系进行优化，这对开发系列表面改性产品具有重要指导意义。