何彬 趙東寧

沈陽(yáng)市市場(chǎng)監(jiān)管事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心 遼寧沈陽(yáng) 110000

1 高熵合金理論基礎(chǔ)

合金體系中的位形熵不僅與主元數(shù)量有關(guān)而且與各主元的相對(duì)含量息息相關(guān)。一些學(xué)者認(rèn)為當(dāng)各主元以等原子比混合時(shí)，系統(tǒng)的位形熵達(dá)到最大值。眾所周知，影響二元合金形成的主要因素有溶質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)、負(fù)電性差異、原子尺寸差和價(jià)電子濃度。對(duì)于高熵合金，除了這四個(gè)方面的影響，混合焓和混合熵這兩個(gè)因素的影響至關(guān)重要[1]。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的混合熵較高時(shí)，自由能則會(huì)降低。而由5～13種主元組成的合金，其混合熵相對(duì)于二元或者三元合金要高得多，并且高混合熵可以促進(jìn)簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)高熵合金的形成?？梢酝ㄟ^Ω和δ兩個(gè)參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)高熵合金的形成的難易程度。研究表明，當(dāng)Ω≥1.1且δ≤6.6%時(shí)，容易形成具有簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的高熵合金而不易出現(xiàn)金屬間化合物和比較明顯的成分偏析。

2 高熵合金涂層的制備

圖1 控濺射工作原理圖

2.1 熱噴涂高熵合金涂層

熱噴涂是利用一種熱源（如火焰、電弧或者等離子噴涂等）將涂層材料加熱到熔融或者半熔融狀態(tài)，然后以一定的速度將熔化的液滴噴射到經(jīng)過熱處理的試樣表面，從而形成具有各種功能的涂層的一門技術(shù)。目前，熱噴涂技術(shù)已經(jīng)成為制備高熵合金涂層的主要方法之一。

自P.K.Huang等人首次發(fā)現(xiàn)等離子噴涂可以用來(lái)制備高熵合金涂層以來(lái)，熱噴涂技術(shù)在制備高熵合金涂層方面得到了廣泛地關(guān)注。郭偉等人利用高速電弧噴涂方法在AZ91鎂合金表面制備FeCrNiCoCu和FeCrNiCoCuB兩種高熵合金涂層。L.M.Wang等人研究了加入或移除某種元素對(duì)NixCo0.6Fe0.2CrySizAlTi0.2高熵合金組織和性能的影響，并且對(duì)比了熱噴涂法以及熔鑄法制備的高熵合金的組織和硬度變化。實(shí)驗(yàn)表明熔鑄高熵合金由納米顆粒物、原子偏析、孿晶組織以及亞晶組織均勻分布在基體中，而熱噴涂1100℃保溫10h的高熵合金涂層則由大量的納米顆粒物和位錯(cuò)組成并且其硬度和鑄態(tài)高熵合金的硬度值接近。雖然熱噴涂技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單以及噴涂過程中對(duì)基體材料影響較小，不易產(chǎn)生應(yīng)力和變形和可以通過加入一些額外元素改變高熵合金涂層的組織性能等優(yōu)點(diǎn)，但高熵合金涂層與基體結(jié)合力不強(qiáng)和涂層厚度較薄等不足使其不能滿足高速重載環(huán)境的使用要求[2]。

2.2 磁控濺射高熵合金涂層

磁控濺射是由二極濺射發(fā)展而來(lái)的，彌補(bǔ)了沉積速率低、等離子體離化率低等不足。磁控濺射一般是在電場(chǎng)的作用下，輝光放電產(chǎn)生的等離子體對(duì)靶材進(jìn)行轟擊，把靶材表面的離子、原子和分子等轟擊出來(lái)，然后在一定的速度下射向基體并沉積在表面而形成涂層（原理如圖1所示）。磁控濺射可以用來(lái)制備各種硬質(zhì)保護(hù)涂層如TiN和AlN等。由于磁控濺射可以濺射幾乎所有金屬、合金以及陶瓷材料等材料，所以磁控濺射也成為制備高熵合金涂層的主要方法之一。

李偉等人采用磁控濺射制備了不同Al含量AlCoCrFeNi高熵合金薄膜并且研究不同Al含量對(duì)高熵合金涂層組織和性能的影響。黃元盛等人為了研究高熵合金氧化物薄膜的光學(xué)特性，采用磁控濺射在單晶硅與玻璃上制備AlCoCrCu0.5NiFe高熵合金氧化物薄膜，并且研究了不同氧分壓和退火處理對(duì)薄膜折射系數(shù)的影響。V.Braic等人分別在C45和M2基體上利用磁控濺射設(shè)備制備了（TiZrNbHfTa）N和（TiZrNbHfTa）C涂層，并且與TiN、TiC和TiZrNbHfTa涂層的性能作比較。結(jié)果表明高熵合金氮化物硬度比其他薄膜硬度增加了10GPa，（TiZrNbHfTa）C涂層獲得了優(yōu)異的摩擦磨損性能，其摩擦系數(shù)和磨損比率分別是0.15和0.8×10-6N-1m-1。高硬度和較低的摩擦磨損系數(shù)使該高熵合金涂層在摩擦學(xué)應(yīng)用有著很大的前途。Chun-YangCheng等人利用磁控濺射設(shè)備制備了BNbTaTiZr非晶態(tài)高熵合金涂層。雖然磁控濺射具有能制備組織性能優(yōu)異的高熵合金涂層、容易控制涂層成分以及涂層厚度較均勻等優(yōu)點(diǎn)，但磁控濺射高熵合金涂層存在著結(jié)合力不強(qiáng)以及相對(duì)于其他制備工藝來(lái)說工藝較為復(fù)雜等缺點(diǎn)。

3 總結(jié)與展望

多主元高熵合金是一種新型的合金，十幾年來(lái)一直被國(guó)內(nèi)外的研究人員所青睞，因此高熵合金涂層也取得了一系列的研究成果。高熵合金創(chuàng)造性地突破了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念，由于高熵效應(yīng)的影響，高熵合金組織呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的立方結(jié)構(gòu)、甚至納米相、非晶態(tài)和少量的金屬間化合物，而在傳統(tǒng)的二元或三元合金中想得到納米相則需要復(fù)雜的處理[3]。所以，高熵合金涂層具有很好的研究?jī)r(jià)值。

另外，制備高熵合金涂層方法都有各自的不足，這在一定程度上限制了高熵合金涂層的發(fā)展。針對(duì)目前研究遇到的問題，以后的研究應(yīng)該更加注重基礎(chǔ)研究以建立更加完善更加系統(tǒng)的高熵合金設(shè)計(jì)體系和建立全面的多主元高熵合金相圖。為了彌補(bǔ)高熵合金涂層制備方法的不足，應(yīng)該嘗試或者開發(fā)新的制備方法，也可以結(jié)合利用多種工藝制備組織和性能更好的高熵合金涂層。