高熵合金涂層的研究進展

何彬 趙東寧

沈陽市市場監管事務服務與行政執法中心 遼寧沈陽 110000

1 高熵合金理論基礎

合金體系中的位形熵不僅與主元數量有關而且與各主元的相對含量息息相關。一些學者認為當各主元以等原子比混合時，系統的位形熵達到最大值。眾所周知，影響二元合金形成的主要因素有溶質晶體結構、負電性差異、原子尺寸差和價電子濃度。對于高熵合金，除了這四個方面的影響，混合焓和混合熵這兩個因素的影響至關重要[1]。

研究發現，當系統的混合熵較高時，自由能則會降低。而由5～13種主元組成的合金，其混合熵相對于二元或者三元合金要高得多，并且高混合熵可以促進簡單立方結構高熵合金的形成。可以通過Ω和δ兩個參數來預測高熵合金的形成的難易程度。研究表明，當Ω≥1.1且δ≤6.6%時，容易形成具有簡單立方結構的高熵合金而不易出現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，然后以一定的速度將熔化的液滴噴射到經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。目前，熱噴涂技術已經成為制備高熵合金涂層的主要方法之一。

自P.K.Huang等人首次發現等離子噴涂可以用來制備高熵合金涂層以來，熱噴涂技術在制備高熵合金涂層方面得到了廣泛地關注。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NixCo0.6Fe0.2CrySizAlTi0.2高熵合金組織和性能的影響，并且對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。實驗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組成并且其硬度和鑄態高熵合金的硬度值接近。雖然熱噴涂技術具有操作簡單以及噴涂過程中對基體材料影響較小，不易產生應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點，但高熵合金涂層與基體結合力不強和涂層厚度較薄等不足使其不能滿足高速重載環境的使用要求[2]。

2.2 磁控濺射高熵合金涂層

磁控濺射是由二極濺射發展而來的，彌補了沉積速率低、等離子體離化率低等不足。磁控濺射一般是在電場的作用下，輝光放電產生的等離子體對靶材進行轟擊，把靶材表面的離子、原子和分子等轟擊出來，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）。磁控濺射可以用來制備各種硬質保護涂層如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薄膜折射系數的影響。V.Braic等人分別在C45和M2基體上利用磁控濺射設備制備了（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涂層獲得了優異的摩擦磨損性能，其摩擦系數和磨損比率分別是0.15和0.8×10-6N-1m-1。高硬度和較低的摩擦磨損系數使該高熵合金涂層在摩擦學應用有著很大的前途。Chun-YangCheng等人利用磁控濺射設備制備了BNbTaTiZr非晶態高熵合金涂層。雖然磁控濺射具有能制備組織性能優異的高熵合金涂層、容易控制涂層成分以及涂層厚度較均勻等優點，但磁控濺射高熵合金涂層存在著結合力不強以及相對于其他制備工藝來說工藝較為復雜等缺點。

3 總結與展望

多主元高熵合金是一種新型的合金，十幾年來一直被國內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。高熵合金創造性地突破了傳統合金設計理念，由于高熵效應的影響，高熵合金組織呈現出簡單的立方結構、甚至納米相、非晶態和少量的金屬間化合物，而在傳統的二元或三元合金中想得到納米相則需要復雜的處理[3]。所以，高熵合金涂層具有很好的研究價值。

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展。針對目前研究遇到的問題，以后的研究應該更加注重基礎研究以建立更加完善更加系統的高熵合金設計體系和建立全面的多主元高熵合金相圖。為了彌補高熵合金涂層制備方法的不足，應該嘗試或者開發新的制備方法，也可以結合利用多種工藝制備組織和性能更好的高熵合金涂層。