本研究由Shengtao Wang、Fengshi Yin、Kai Zhao、Jinzhao Sun、Bing Xue和Wenqiang Yu（通讯作者）共同完成，作者单位均为山东理工大学机械工程学院。研究成果发表于Materials Letters期刊（2025年，第385卷，文章编号138107），并于2025年1月23日在线发布。

学术背景

316L不锈钢因其优异的耐腐蚀性和抗氧化性，广泛应用于建筑、海洋、生物医学及石油领域。然而，其面心立方（FCC）基体硬度低、耐磨性差，限制了其在复杂承载条件下的使用寿命。表面改性是提升材料性能的有效策略，传统方法如喷丸强化（severe shot peening）、等离子渗氮（plasma nitriding）等虽有一定效果，但存在局限性。近年来，高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）因其优异的耐磨和耐腐蚀性能成为研究热点。本研究提出采用热塑性沉积技术（thermoplastic deposition）在316L基体上制备AlCrFe2Ni2Mo0.2Nb0.2高熵合金涂层，旨在显著提升基体的耐磨性能。

研究流程与方法

1. 涂层制备

   • 材料与设备：采用气体雾化法制备的AlCrFe2Ni2Mo0.2Nb0.2粉末（平均粒径42.9 μm），通过高速空气燃料喷涂（HVAF, High Velocity Air Fuel）技术沉积于316L基体。喷涂参数：移动速度1500 mm/s，喷涂距离300 mm，送粉速率4 r/min。
     
   • 基体预处理：316L基体经喷砂处理以增加表面粗糙度，确保涂层结合强度。
     

2. 微观结构表征

   • X射线衍射（XRD）：分析涂层相组成，确认主要相为体心立方（BCC）基体、微米级Laves相和纳米级B2有序相。
     
   • 扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDS）：观察涂层形貌（表面粗糙度10.0±1.3 μm，厚度300 μm，孔隙率0.98±0.05%），验证元素分布均匀性。
     
   • 透射电镜（TEM）：揭示涂层内亚微米级晶粒、高密度位错缠结（源于喷涂过程中的剧烈塑性变形），以及B2相（晶内）和Laves相（晶界）的分布。
     

3. 力学性能测试

   • 显微硬度：涂层硬度达793 HV0.3，是基体（214 HV0.3）的3.7倍。界面附近硬度梯度升高（450 HV0.3），归因于喷涂过程的喷丸强化效应。
     
   • 耐磨性评估：使用UMT-3摩擦试验机，以氧化铝球为对磨副（载荷30 N，滑动速度3 mm/s，时长30 min）。计算磨损率：基体为1.5×10⁻⁴ mm³/(N·m)，涂层为1.2×10⁻⁴ mm³/(N·m)。
     

4. 磨损机制分析

   • 316L基体：以粘着磨损（adhesive wear）为主，磨损轨迹边缘呈现塑性挤压特征，表面粗糙度1.56 μm，犁沟平均深度3.24 μm。
     
   • HEA涂层：以磨粒磨损（abrasive wear）为主，磨损表面光滑，仅存在浅层磨痕（粗糙度0.64 μm，磨痕深度1.80 μm）。
     

主要结果与逻辑关系

• 微观结构：BCC基体与硬质Laves相、B2相的协同作用，是涂层高硬度的关键。TEM揭示的位错缠结进一步强化了涂层。
  
• 性能关联：高硬度直接降低了磨损率，且涂层磨损机制从粘着磨损转变为磨粒磨损，证实其耐磨性提升。
  
• 界面强化：EBSD应变分布图显示基体表面位错密度升高，解释了界面附近硬度梯度现象。
  

结论与价值

1. 科学价值：首次通过HVAF技术制备AlCrFe2Ni2Mo0.2Nb0.2涂层，揭示了BCC基体与纳米析出相的协同强化机制。
   
2. 应用价值：为316L在苛刻工况（如海洋装备、石油管道）中的耐磨性能提升提供了可行方案。
   

研究亮点

• 创新方法：HVAF技术实现低孔隙率（%）、高结合强度涂层的快速制备。
  
• 微观机制：发现纳米级B2相与位错网络的协同作用，为HEA涂层设计提供新思路。
  
• 性能突破：涂层磨损率较基体降低20%，且避免了传统涂层常见的氧化问题。
  

其他有价值内容

• 补充数据：TEM点分析（表S1）证实Laves相富集Nb、Mo元素，B2相富含Al、Ni，为相组成调控提供依据。
  
• 理论支持：通过赫兹接触压力计算（2880 MPa）解释了316L基体的塑性变形机制（原文引用Johnson的接触力学理论）。
  

本研究通过多尺度表征与性能测试的结合，系统论证了HEA涂层的工程应用潜力，为表面改性领域提供了重要参考。