李彥洲，石 巖

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022；2. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 國(guó)家國(guó)際科技合作基地(光學(xué))，吉林 長(zhǎng)春130022；3. 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與智能技術(shù)學(xué)院 吉林 吉林 132000)

1 引 言

鋁合金具有比強(qiáng)度高、比重量小、延展性好、成型質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在制造、運(yùn)輸、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而鋁合金表面硬度較低、易被氧化、耐腐蝕性較差，在某些特定條件下使用受限制。近年來(lái)，表面技術(shù)逐漸應(yīng)用于鋁合金表面改性，通常采用的方法有電鍍法、物理蒸汽沉積法，激光沉積法(LDP)等[3-4]。由于LDP具有污染小、工作效率高等特點(diǎn)[5-8]，越來(lái)越多地應(yīng)用于表面改性領(lǐng)域。但由于鋁的熔點(diǎn)低、化學(xué)電負(fù)性較強(qiáng)，所以在鋁合金表面激光沉積的涂層材料選擇上易受限制，僅有少量自溶性粉末和陶瓷材料得以應(yīng)用，且沉積層中易出現(xiàn)氣孔、裂紋[9-10]。因此，開(kāi)發(fā)新沉積材料以提高涂層綜合性能是鋁合金應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)，高熵合金(High-Entropy Alloy,HEA)作為新興材料備受學(xué)者關(guān)注。HEA是指主元數(shù)大于或等于5，且每種元素摩爾質(zhì)量在5%～35%之間的合金體系，其易形成簡(jiǎn)單固溶體[11]。由于高熵合金多主元的高熵效應(yīng)，可抑制具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，且具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的高溫?zé)岱€(wěn)定性等特點(diǎn)。已有學(xué)者研究將高熵合金作為涂層材料采用激光沉積技術(shù)沉積在基材表面。Shu等人[12]采用低碳鋼為基材，利用LDP制備了FeCoCrBNiSi涂層，其硬度達(dá)到了700HV0.2，且具有良好的高溫耐摩擦性能。Guo等人[13]采用LDP在Q235鋼表面上制備了Fe5CrSiTiCoNbMoW高熵合金，結(jié)果表明HEA涂層的耐蝕性高于304不銹鋼。Meng等人[14]研究了AZ91D鎂合金表面激光沉積AlxCoCrFeNiCu高熵合金，制備的HEA涂層僅有體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)和面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)固溶體，涂層的耐磨性是基材的7倍，當(dāng)Al摩爾比例在1.5～1.8之間時(shí)，涂層缺陷最少。Shon等人[15]在純鋁表面激光沉積了AlFeCrCoNi涂層，涂層具有BCC固溶體相結(jié)構(gòu)，但一次激光沉積工藝制備的涂層會(huì)產(chǎn)生氣孔和裂紋，需采用二次沉積工藝提高涂層成型質(zhì)量。本課題組[16]采取預(yù)置法在鋁合金表面激光沉積了Al0.5CoCrFeNiCu0.7高熵合金，使涂層硬度達(dá)到750 HV0.2?？梢?jiàn)，高熵合金因其良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能已成為激光沉積涂層材料研究的熱點(diǎn)方向。但在鋁合金表面激光沉積HEA涂層研究方面，成型質(zhì)量高的涂層工藝目前局限于二次激光沉積和預(yù)置法，而這些工藝操作復(fù)雜，制備涂層效率低，僅限于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。Fe、Co、Ni、Cr在元素周期表中處于同一周期相鄰位置，原子半徑接近，互溶性好，易形成固溶體，Cu元素與Al具有良好的潤(rùn)濕性，有利于改善涂層與鋁合金基材的結(jié)合強(qiáng)度。本研究使用同軸送粉器將高純度Cr、Fe、Co、Ni、Cu粉末直接激光沉積在鋁合金表面，以減少工藝流程，提高涂層制備效率。利用基材稀釋作用合成AlCrFeCoNiCu高熵合金，研究了涂層組織、硬度和耐腐蝕性，為鋁合金表面制備高熵合金涂層的后續(xù)工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)范例。

2 材料與方法

圖1為激光沉積原理示意圖。激光器采用Rofin公司生產(chǎn)的DC050型板條式CO2激光器，最大輸出功率P=5 000 W。送粉裝置采用RC-PGF-D-2型同軸送粉器，載氣為氬氣?；臑?083鋁合金，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：4.0%≤Mg≤4.9%，0.05%≤Cr≤0.25%，Si≤0.4%，Cu≤0.1%，Zn≤0.25%，Ti≤0.15%，F(xiàn)e≤0.4%，其余為Al，尺寸為50 mm×30 mm×10 mm。激光沉積前使用600#，800#砂紙將表面逐級(jí)打磨，再經(jīng)飽和氫氧化鈉溶液與稀鹽酸溶液依次堿洗和酸洗，徹底去除氧化膜后放入丙酮溶液中超聲清洗，最后密封保存?zhèn)溆?。合金粉末選用長(zhǎng)沙天久金屬材料公司生產(chǎn)的球形Fe、Co、Ni、Cr、Cu金屬粉末，純度大于99.5%，篩取粒度為200～325目，按等摩爾配比，在氬氣氛圍內(nèi)球磨1 h，然后封裝備用。區(qū)別于前期實(shí)驗(yàn)[17]，在本次激光沉積實(shí)驗(yàn)中添加惰性氣體保護(hù)，并未在沉積粉末中添加Al元素，因其熔點(diǎn)低，在球磨時(shí)易被合金化，故需降低研磨速率，然而，這將導(dǎo)致工藝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。采用單道激光沉積實(shí)驗(yàn)，基材預(yù)熱溫度為200 ℃，氬氣氛圍，保護(hù)氣體流量為5 L/min。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，確定加工參數(shù)如下：激光功率P=1 500 W，掃描速度v=200 mm/min，送粉率S=6 g/min，光斑直徑D=1.2 mm。

圖1 激光沉積原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser deposition

激光沉積后的試樣沿垂直于掃描速度方向切取涂層橫截面，制成金相試樣，用王水腐蝕。采用JSM-6510F型掃描電鏡(SEM)觀察組織，采用能譜儀(EDS)分析成分。采用荷蘭帕納科公司Empyrean銳影X射線衍射儀(XRD)對(duì)球磨后的FeCoNiCrCu粉末及涂層樣品進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析，選用Cu靶，管電壓為40 kV，管電流為300 mA，采用石墨濾波片，掃描速度為4(°)/min，掃描角步長(zhǎng)為0.05°，衍射角掃描范圍為20°～90°。采用MH-60型顯微硬度測(cè)量?jī)x測(cè)試涂層硬度，選用200 g載荷，加載時(shí)間為10 s。采用德國(guó)扎納電化學(xué)工作站(Zennuim pro)進(jìn)行測(cè)試，電解液為3.5%NaCl溶液。選用三電極工作體系，其中工作電極(WE)為涂層或基材，參比電極(SCE)為飽和甘汞電極，對(duì)電極(CE)為鉑電極。測(cè)試前將工作電極在腐蝕液中浸入2 h，待開(kāi)路電位穩(wěn)定后，在室溫下進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線和電化學(xué)阻抗譜測(cè)試(EIS)。極化曲線測(cè)試掃描區(qū)間為-2～1 V，掃描速率為5 mV/s，EIS測(cè)試頻率范圍為100 mHz～10 kHz，開(kāi)路電位為10 mV，采用Zview軟件對(duì)阻抗譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算。

3 結(jié)果及討論

3.1 組織結(jié)構(gòu)分析

圖2(a)、2(b)分別為球磨機(jī)研磨1 h的Cr、Fe、Co、Ni、Cu混合粉末與激光沉積涂層的XRD圖譜。

圖2 FeCrCoNiCu粉末與涂層X(jué)RD圖譜Fig.2 XRD patterns of FeCrCoNiCu powder and the coating

由PDF卡片標(biāo)定可知，球磨后的混合粉末仍然具有各個(gè)單質(zhì)粉末性質(zhì)，并未被氧化或合金化。涂層相包括BCC和FCC，并未形復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)相。BCC和FCC相混合的衍射峰證實(shí)了Al元素在熔池?cái)嚢枳饔孟律细≈镣繉覽18]。Gibbs自由能式為：

Gmix=Hmix-TSmix,

(1)

Gmix為系統(tǒng)自由能，Smix為混合熵，Hmix為混合焓，T為熱力學(xué)溫度。根據(jù)式(1)可知，較大的混合熵可以降低合金系統(tǒng)自由能，抵消混合焓作用，形成自由能更低的固溶體相結(jié)構(gòu)，而不易形成金屬間化合物，尤其在高溫條件下。因此研究中5種元素按等摩爾比混合滿足此固溶體相形成條件[19]。此外，高熵合金相結(jié)構(gòu)也與合金體系的原子半徑比(δ)、電負(fù)性差異(χ)、價(jià)電子濃度比(VEC)密切相關(guān)[20]，可用如下公式表示：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Zhang等人[21]在多主元合金研究中總結(jié)了當(dāng)-15 kJ/mol≤ΔHmix≤5 kJ/mol，1≤δ≤6時(shí)，可獲得固溶體高熵合金；Guo等人[22]認(rèn)為當(dāng)-22 kJ/mol ≤Hmix≤7 kJ/mol，0≤δ≤8.5，11 J/K·mol≤ΔSmix≤19.5 J/K·mol時(shí)，易獲得固溶體結(jié)構(gòu)。他們都強(qiáng)調(diào)了原子半徑比是形成固溶體相的重要參數(shù)。Fang等人[23]指出，當(dāng)χ較大時(shí)，有利于形成固體結(jié)構(gòu)。Guo等人[24]進(jìn)一步利用合金體系的VEC判定形成固溶體高熵合金類型。結(jié)果顯示：當(dāng)VEC≥8或VEC≤6.87時(shí)會(huì)形成單一FCC固溶體或BCC固溶體，當(dāng)6.87≤VEC≤8時(shí)會(huì)形成FCC+BCC雙相固溶體。結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]，考慮到激光沉積時(shí)基材中Al元素上浮因素，選取Al摩爾比x分別為0、0.5、1、1.5、2，計(jì)算AlxFeCrCoNiCu合金體系的δ、Hmix、ΔSmix、VEC、χ值，結(jié)果如表1所示。

表1 AlxCrFeCoNiCu(x=0,0.5,1,1.5,2)的混合熵、混合焓、原子半徑比、價(jià)電子濃度比、電負(fù)性差

由計(jì)算結(jié)果知， Al與其他5種元素原子半徑、化學(xué)電負(fù)性差異較大[25]，當(dāng)x=0和x=0.5時(shí)，涂層滿足形成單一FCC固溶體高熵合金條件，當(dāng)x=1，x=1.5，x=2時(shí)，涂層滿足FCC+BCC雙相固溶體高熵合金條件，即Al為BCC增強(qiáng)相。本文研究的金屬粉末中未添加Al，但由于Al的熔點(diǎn)較低、密度較小，在本文工藝參數(shù)下，基材中部分Al會(huì)上浮到涂層，且含量高于單一固溶體轉(zhuǎn)變成雙相固溶體結(jié)構(gòu)的臨界值；另外，激光加工具有能量密度高和冷卻速度快的特性，能使高溫生成的亞穩(wěn)態(tài)相保存下來(lái)，最終涂層形成BCC相與FCC相結(jié)構(gòu)。

3.2 微觀組織分析

圖3為激光沉積層的SEM圖。圖3(a)為垂直于掃描速度方向的涂層橫截面形貌，自下而上可分為基材、熱影響區(qū)、沉積層3個(gè)區(qū)域，由圖可知，各區(qū)域之間界面結(jié)合良好。圖3(b)為沉積層頂部形貌，可見(jiàn)存在細(xì)小致密的等軸晶和柱狀晶，圖3(c)為沉積層中部形貌，與頂部相比其柱狀晶較為粗大；圖3(d)為沉積層底部形貌，主要表現(xiàn)為垂直于掃描速度方向生長(zhǎng)的粗大柱狀晶。在送粉激光沉積過(guò)程中，粉末與基材吸收高能激光束熱量，在激光束焦點(diǎn)附近形成瞬間高溫熔池，熔池底部和頂部分別接觸基材和保護(hù)氣體，導(dǎo)致不同區(qū)域晶粒具備不同溫度梯度和冷卻速率的生長(zhǎng)條件，使沉積層各區(qū)域呈現(xiàn)不同組織形貌。熔池底部主要通過(guò)基材進(jìn)行散熱，靠近基材方向熱流分量大，從而導(dǎo)致枝晶沿融合線自下而上生長(zhǎng)，形成粗大柱狀晶。在熔池頂部，因?qū)α魃岷洼椛渖岬鸟詈献饔茫乖搮^(qū)具有高的冷卻速度和低的溫度梯度，受此結(jié)晶參數(shù)影響，快速凝固后形成了細(xì)小的等軸晶。在熔池中部，主要依靠對(duì)流強(qiáng)制散熱，在三維方向上散熱均勻，但冷卻速度小于頂部，所以形成柱狀晶和等軸晶混合的組織形貌。

圖3 AlCrFeCoNiCu涂層橫截面SEM圖.(a)涂層宏觀形貌； (b)沉積層頂部; (c)沉積層中部; (d)沉積層底部Fig.3 SEM images of cross-section of AlCrFeCoNiCu coating. (a)Overall morphology of the coating, (b)top zone of the cladding, (c)middle zone of the cladding, (d)bottom zone of the cladding

AreasAlCrFeCoNiCuNominal020202020201(Dendrite)10.9417.3717.3719.4119.2115.71(Interdentic)8.7816.3017.7319.7316.2121.252(Dendrite)10.3617.8117.8517.5417.7518.692(Interdendritic)9.6817.217.2716.5317.3122.013(Dendrite)13.2619.2517.5819.1515.2315.533(Interdendritic)11.2117.2315.2117.2116.2620.88

表2為沉積層各區(qū)域的EDS結(jié)果。由表2可知，由于熔池?cái)嚢枳饔?，Al上浮至沉積層，使各區(qū)域元素含量偏離了原始粉末的等摩爾比，結(jié)合XRD結(jié)果進(jìn)一步分析可知，枝晶區(qū)為BCC相結(jié)構(gòu)，枝晶間為FCC相結(jié)構(gòu)。Cu元素在枝晶間區(qū)域大量富集，主要是因?yàn)椋?1)銅與其他5種元素具有較大的正混合焓[26]，致使其與各元素間結(jié)合力較弱，在凝固時(shí)易被排斥，在枝晶間富集。(2)Cu的熔點(diǎn)低于Fe、Co、Ni、Cr元素，凝固結(jié)晶較晚，且其分配系數(shù)大于1，易于產(chǎn)生晶間偏析。(3)Cu的晶格結(jié)構(gòu)和晶體常數(shù)與其他元素有很大差異，使Cu與各元素間具有較低的互溶度，易引起Cu在枝晶間富集。

3.3 顯微硬度

圖4為AlCrFeCoNiCu涂層的顯微硬度值。由圖4可見(jiàn)，涂層的平均硬度為528 HV0.2，是基材的5倍。HEA涂層硬度遠(yuǎn)高于基材，有如下原因：(1)組成HEA涂層中的各元素原子尺寸不同，導(dǎo)致晶格畸變較大，位錯(cuò)密度較高，且基材中Al元素原子半徑遠(yuǎn)大于涂層中其他5種元素，進(jìn)一步增加晶格畸變，使涂層硬度增高。(2)基材中Al上浮使涂層中BCC相結(jié)構(gòu)增多，BCC晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部滑移帶少，使涂層具有高硬度的特點(diǎn)。(3)Al與其他元素混合焓最負(fù)[27]，增強(qiáng)了元素間的原子結(jié)合力，提高了涂層的硬度。(4)激光加工具有快速加熱、快速冷卻的特點(diǎn)，使涂層中晶粒細(xì)化，可以增加固溶體的溶解度，提高固溶極限，進(jìn)一步提高合金硬度。顯然，高熵合金涂層可以改善鋁合金表面的力學(xué)性能。

圖4 涂層的顯微硬度分布Fig.4 Microhardness distribution of the coating

3.4 耐腐蝕性分析

圖5為室溫下HEA涂層和基材在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。如圖5所示，HEA涂層和基材均出現(xiàn)了較寬的鈍化區(qū)間，說(shuō)明隨著電化學(xué)腐蝕進(jìn)行，電極表面會(huì)出現(xiàn)一層穩(wěn)定的鈍化膜，減輕Cl離子對(duì)工作電極表面的侵蝕[28]。表3為涂層和基材極化曲線的腐蝕電流密度(Icorr)和自腐蝕電位(Ecorr)。根據(jù)電化學(xué)理論，自腐蝕電位只能體現(xiàn)材料腐蝕的熱力學(xué)趨勢(shì)，而腐蝕電流密度是由材料溶解造成的，在評(píng)價(jià)材料的耐蝕能力時(shí)，腐蝕電流密度是重要的參數(shù)，腐蝕電流密度越小，材料的耐蝕性能越好[29]。由表可知，HEA涂層的腐蝕電流密度值遠(yuǎn)小于基材，證明室溫下HEA涂層在3.5%NaCl溶液中耐腐蝕性優(yōu)于基材。

圖5 AlCrFeCoNiCu涂層和基材在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線Fig.5 Potentiodynamic polarization curves of AlCrFeCoNiCu coating and the substrate in 3.5%NaCl solution

SolutionSamplesEcorr/VIcorr/μA3.5%NaClAlCrFeCoNiCu coatingSubstrate-1.13-1.409.2235.4

圖6(a)、6(b)分別為3.5%NaCl溶液中經(jīng)動(dòng)電位極化測(cè)試后的基材和涂層表面的腐蝕形貌。由圖6(a)可知，動(dòng)電位極化后的鋁合金表面已經(jīng)被全面腐蝕。圖6(b)可看出涂層表面較基材完整，但有明顯的腐蝕斑點(diǎn)。圖6(c)、6(d)為涂層腐蝕形貌的局部放大圖，可見(jiàn)，沉積層中分布著不均勻的腐蝕坑和腐蝕晶界。腐蝕坑是因?yàn)槿芤褐蠧l離子具有極強(qiáng)的穿透性，它吸附在鈍化膜上形成最薄弱的區(qū)域，使腐蝕過(guò)程中發(fā)生閉塞電池效應(yīng)，造成涂層集中腐蝕[30]。表4為動(dòng)電位極化后的涂層EDS分析結(jié)果，由表可知，晶間區(qū)域Cu含量遠(yuǎn)高于晶內(nèi)區(qū)域，導(dǎo)致極化過(guò)程中晶內(nèi)和晶間區(qū)域具有不同的腐蝕電位，且晶間腐蝕電流高于晶內(nèi)腐蝕電流，從而形成電勢(shì)差明顯的原電池，使富Cu區(qū)被選擇性腐蝕；另外，晶內(nèi)Cr元素含量較高，而Cr具有良好的耐腐蝕性能，二者共同作用，最終使涂層中出現(xiàn)明顯的腐蝕晶界。

圖6 AlCrFeCoNiCu涂層和基材在3.5%NaCl溶液中動(dòng)電位極化后的SEM圖. (a)基材形貌, (b)AlCrFeCoNiCu涂層形貌, (c)圖(b)中A區(qū)域的局部放大圖, (d)圖(b)中B區(qū)域的局部放大圖Fig.6 SEM images of AlCrFeCoNiCu coating and the substrate after polarization tests in 3.5%NaCl solution. (a)Morphology of the substrate, (b)morphology of AlCrFeCoNiCu coating, (c)magnification of region A in Fig.6(b), (d)magnification of region B in Fig.6(b)

AreasAlCrFeCoNiCu1(Dendrite)8.720.6319.2719.4219.5912.391(Interdentic)10.9615.3118.7519.7618.0117.21

圖7 AlCrFeCoNiCu涂層和基材在3.5%NaCl溶液中Nyquist曲線Fig.7 Nyquist plots of AlCrFeCoNiCu coating and the substrate in 3.5%NaCl solution

圖8 AlCrFeCoNiCu涂層和基材在3.5%NaCl溶液中的波特圖Fig.8 Bolt plots of AlCrFeCoNiCu coating and the substrate in 3.5%NaCl solution

為進(jìn)一步研究HEA涂層和基材電極的表面腐蝕機(jī)理，獲得電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)及電極界面結(jié)構(gòu)信息，在開(kāi)路電位下進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)試。圖7、圖8分別為HEA涂層和基材在3.5%NaCl溶液中開(kāi)路電位下的Nyquist曲線和波特圖。由圖7可知，HEA涂層Nyquist曲線由高頻段單容抗半圓弧組成，表明電荷在工作電極表面和溶液間發(fā)生轉(zhuǎn)移，形成雙電層電容，而容抗弧圓心偏離實(shí)軸，說(shuō)明電極表面不光滑，存在彌散效應(yīng)[31]。由圖8可知，HEA涂層波特圖沒(méi)有特征峰，表明電極反應(yīng)過(guò)程僅受電極電位影響，即電極反應(yīng)僅一個(gè)時(shí)間常數(shù)，與Nyquist曲線單容抗弧相對(duì)應(yīng)。基材的Nyquist曲線由高頻段和低頻段雙容抗弧組成，表示在電極表面同時(shí)存在活化溶解和腐蝕產(chǎn)物膜存在和溶解過(guò)程，表明基材在NaCl溶液中形成的產(chǎn)物膜不夠完整、致密。結(jié)合圖8可知，電極反應(yīng)有兩個(gè)時(shí)間常數(shù)，與Nyquist曲線雙容抗弧相對(duì)應(yīng)。容抗弧半徑與腐蝕速率密切相關(guān)，半徑越大代表抗腐蝕能力越強(qiáng)[28]，由圖7可知，高熵合金涂層容抗弧半徑遠(yuǎn)大于5083鋁合金容抗弧半徑，說(shuō)明涂層抗腐蝕性優(yōu)于基材，這與極化曲線分析結(jié)果相吻合。

圖9為HEA涂層在3.5%NaCl溶液中交流阻抗譜的等效電路圖。一般情況下，等效電路包含溶液電阻Rs，電荷傳遞電阻Rc，電極和溶液之間界面的雙電層電容Cdl?？紤]到電極表面為非均勻光滑狀態(tài)，EIS測(cè)試時(shí)電極的雙電層電容與固體電容對(duì)時(shí)間響應(yīng)頻率不一樣[32]，采用純電容代替雙電層電容會(huì)產(chǎn)生彌散效應(yīng)，導(dǎo)致阻抗譜測(cè)試結(jié)果偏離實(shí)際結(jié)果，所以用常相位角元件CPE1代替等效電路參數(shù)元件，其阻抗ZCPE計(jì)算表達(dá)式為：

(7)

圖9 電化學(xué)阻抗譜的等效電路圖Fig.9 Equivalent circuit of EIS

對(duì)上述等效電路，利用Zview軟件對(duì)阻抗譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各參數(shù)如表5所示。分析表中數(shù)據(jù)，n=0.892，介于1和0.7之間，證明涂層表面較均勻致密，在3.5%NaCl溶液中不易發(fā)生全面腐蝕，這與SEM結(jié)果相一致。綜上可知，在5083鋁合金表面制備的AlCrFeCoNiCu高熵合金涂層起到了良好的耐腐蝕作用。

表5 AlCrFeCoNiCu涂層在3.5%NaCl溶液中的等效電路參數(shù)

4 結(jié) 論

為提高鋁合金表面的力學(xué)和耐腐蝕性能，本文采用送粉式激光沉積技術(shù)在鋁合金表面制備了AlCrFeCoNiCu高熵合金涂層，在激光功率P=1 500 W，掃描速度v=200 mm/min，送粉率S=6 g/min，光斑直徑D=1.2 mm的條件下，研究了涂層的相結(jié)構(gòu)、微觀組織、元素分布、硬度及耐腐蝕性能，得出以下結(jié)論：

(1)基材中Al元素在熔池?cái)嚢璧淖饔孟律细≈镣繉樱垢哽睾辖鹜繉酉嘟Y(jié)構(gòu)從FCC相轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC+FCC相。

(2)涂層顯微組織包含柱狀晶、等軸晶，Cu在枝晶間產(chǎn)生偏析，主要原因是Cu與涂層中的各元素混合焓較正、晶格結(jié)構(gòu)和晶體常數(shù)差異較大。

(3)涂層顯微硬度為528 HV0.2，約是基材的5倍，顯著改善了鋁合金表面的力學(xué)性能。涂層高硬度的主要原因是合金體系的高熵效應(yīng)、固溶強(qiáng)化作用，以及激光加工的快速加熱、快速冷卻特點(diǎn)導(dǎo)致的細(xì)晶強(qiáng)化作用。

(4)在3.5%NaCl溶液中，AlCrFeCoNiCu高熵合金涂層的腐蝕形式是點(diǎn)蝕和晶間腐蝕，鋁合金基材腐蝕形式是全面腐蝕，涂層的腐蝕電流密度為9.22 μA，遠(yuǎn)小于基材的35.4 μA，AlCrFeCoNiCu高熵合金的耐腐蝕性優(yōu)于基材，可以提高鋁合金表面的耐腐蝕性能。