新型AlCrFeNiMo0.5Bx高熵合金-陶瓷复合涂层的微观结构设计与干滑动摩擦磨损性能优化

为解决金属基复合材料(MMC)涂层中增强相分布不均、微观缺陷等问题，研究人员通过激光熔覆技术开发了新型AlCrFeNiMo0.5Bx高熵合金-陶瓷复合涂层。研究发现硼元素添加促使(Cr,Mo)2B硬质相析出，当x=0.5时涂层硬度达723 HV0.1，磨损率低至1.01×10-5 mm3/(N·m)，为耐磨防护涂层领域提供了创新解决方案。

　　

在航海、航空和机械制造领域，金属基复合材料(MMC)涂层作为关键防护材料长期面临增强相分布不均、微观缺陷和界面结合弱等瓶颈问题。传统合金通过复杂元素掺杂优化性能的方式已接近极限，而具有多主元特性的高熵合金(HEA)因其独特的晶格畸变效应和强界面结合能力，为开发新一代耐磨涂层带来了曙光。

辽宁师范大学物理与电子技术学院的研究团队创新性地将硼(B)元素引入AlCrFeNiMo_0.5高熵合金体系，采用激光熔覆技术在Q235钢基体上成功制备了系列AlCrFeNiMo_0.5B_x复合涂层。相关研究成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，为解决工业耐磨涂层的关键问题提供了重要突破。

研究采用激光熔覆技术（激光功率1600W，扫描速度5mm/s）制备涂层，通过X射线衍射(XRD)、电子探针显微分析(EPMA)和透射电镜(TEM)表征微观结构，利用显微硬度仪和球-盘式摩擦磨损试验机评价力学性能。

3.1 相组成

XRD分析显示未添加B的涂层由BCC1+BCC2双相组成，当x≥0.5时出现(Cr,Mo)₂B新相。BCC2相晶格常数随B含量增加从2.9101?降至2.8887?，证实B原子固溶引起的晶格畸变效应。

3.2 微观结构

EPMA显示B元素偏聚于枝晶间区域，形成由(Cr,Mo)₂B与无序BCC相组成的层状共晶结构。TEM证实枝晶区(DR)为有序BCC相，枝晶间区(ID)为(Cr,Mo)₂B（空间群I4/mcm）与BCC相的纳米级共晶组织。

3.3 显微硬度

涂层硬度呈现先升后降趋势，AlCrFeNiMo_0.5B_0.5达峰值723HV_0.1，是基体的5倍。过量B(x=1.0)导致晶格畸变能超过稳定阈值，引发位错增殖反而降低硬度。

3.4 摩擦磨损行为

x=0.5涂层表现出最优摩擦性能（摩擦系数0.51）和最低磨损率（1.01×10^-5 mm³/(N·m)），3D形貌仪测量显示其磨痕宽度(472.56μm)和深度(11.06μm)较基体降低约50%。

3.5 磨损机制

磨损表面分析表明：x=0涂层以严重磨粒磨损为主；x=0.5涂层表现为轻微磨粒磨损+氧化磨损；x=1.0涂层因硬度下降出现粘着磨损特征。所有涂层均存在由摩擦热诱导形成的富氧"岛状"区域（氧含量最高达65.91at.%）。

该研究通过精准调控B含量，实现了高熵合金涂层"固溶强化+第二相强化"的协同效应。特别当x=0.5时，(Cr,Mo)₂B相与BCC基体形成的纳米共晶结构使涂层兼具高硬度和韧性，其磨损率仅为Q235钢的25%。研究成果不仅阐明了B元素在高熵合金中的固溶限与强化机制，更为开发适用于极端工况的耐磨涂层提供了理论依据和材料设计范式，对推动高熵合金复合材料在重大装备关键部件的工程化应用具有重要价值。