Al0.3CrFe1.5Ni1.5Tix高熵合金涂层的微观结构演变与力学性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Al0.3CrFe1.5Ni1.5Tix High-Entropy Alloy Coatings

通过第一性原理和热力学计算结合实验研究，揭示了Al0.3CrFe1.5Ni1.5Ti_x（x=0,0.25,0.5,0.75）高熵合金涂层中钛掺杂对微观结构和力学性能的影响机制。结果表明：钛掺杂促使Al、Ni、Fe元素偏析，形成L1?相和Laves相；其中Ti0.25涂层综合性能最优，抗拉强度达573.66 MPa，强塑性积13.68 GPa·%。该研究为高熵合金涂层的成分设计提供了理论依据。

　　

张星星|刘志成|姜长双|周永强|彭文义|曲玉海|邓小花|刘凯|邢家辉|徐文涛|刘伟良|胡健

南昌大学物理与材料科学学院，中国南昌330031

摘要

本研究利用第一性原理和热力学计算方法，探讨了等离子喷涂Al_0.3CrFe_1.5Ni_1.5Ti_x（x = 0, 0.25, 0.5, 0.75）高熵合金涂层的微观结构和力学性能。结果表明，Al_0.3CrFe_1.5Ni_1.5涂层由单一的FCC相组成。添加Ti元素会促进Al、Ni和Fe的偏聚，并诱导形成L1₂和Laves相。第一性原理计算证实，L1₂和Laves相的形成焓均低于FCC相，表明Ti的掺杂驱动了涂层的微观结构演变。在测试的组分中，Al_0.3CrFe_1.5Ni_1.5Ti_0.25涂层表现出最佳的综合力学性能，其极限抗拉强度为573.66 MPa，强度与延展性的乘积为13.68 GPa·%。通过结合实验和计算，本研究阐明了Ti在微观结构调控中的作用及其对AlCrFeNi基高熵合金涂层力学性能的影响，为设计高性能、低成本的高熵合金涂层提供了理论和实验基础。

引言

高熵合金的四大核心特性使其具备高强度、优异的耐磨性和耐腐蚀性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。高熵合金涂层是实现低成本、高性能表面工程应用的关键介质。在制备过程中，由于快速凝固特性和厚度限制的共同作用，涂层倾向于形成细化的晶粒结构，从而通过晶粒细化强化机制进一步提高强度、硬度和耐磨性。因此，高熵合金涂层的可控制备和性能优化已成为材料表面科学和工程领域的研究重点。目前有多种涂层制备技术，每种技术都有其独特优势。例如，磁控溅射可以制备出成分精确的纳米晶薄膜；通过优化工艺参数（如氩气流量），可以获得硬度超过10 GPa的涂层，但涂层通常较薄且沉积速率较低[6]、[7]、[8]。电弧沉积工艺简单且经济高效，适用于厚涂层，但常导致氧化物含量高、孔隙率大以及涂层与基底之间的结合强度低[9]。热喷涂技术（如高速氧燃料HVOF喷涂）适用于厚涂层，并可通过成分设计实现优异的耐腐蚀性，但氧化物夹杂物和孔隙较为常见，且结合强度通常低于包覆层[10]。冷喷涂可以有效避免材料氧化并制备出致密涂层，但对粉末的塑性要求较高[11]。激光熔覆可以产生致密的微观结构，但设备成本相对较高[12]。相比之下，等离子熔覆技术结合了低成本、简单工艺的优点，能够形成致密、冶金结合的涂层，且孔隙和裂纹极少，具有制备高性能厚涂层的巨大潜力[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。

在涂层成分设计和性能优化方面，利用密度泛函理论的第一性原理计算可以无需依赖经验参数即可预测材料的电子结构和性能，从而显著降低实验试错成本。近年来，AlCoCrFeNi高熵合金表现出优异的性能，引起了广泛关注。Ren等人[18]通过真空电弧熔炼炉制备了AlCoCrFeNi高熵合金，其力学性能、耐磨性和耐腐蚀性远超传统海洋合金。然而，钴资源的稀缺和高成本限制了AlCoCrFeNi高熵合金的广泛应用。Peng等人[19]通过退火处理无钴的冷轧Al_0.5CrFe₂Ni_1.5多主元素合金，获得了低成本、高强度和高延展性的合金。Nong等人[20]通过第一性原理计算表明，掺入Ti、V、Mn、Co、Nb和Mo等元素可以显著稳定AlCrFeNi高熵合金的BCC单相结构，为实验设计提供了理论指导。钛是高熵合金系统中常用的合金元素。Jiang等人[21]通过Ti掺杂在AlCrFeNi₂多主元素合金中诱导形成了B2和L1₂相，使其压缩断裂强度提高了约600 MPa。

当前研究主要集中在优化工艺参数和施加沉积后热处理以调控等离子喷涂含Ti高熵合金涂层的微观结构和宏观性能（如硬度和耐磨性）[22]、[23]、[24]。尽管研究表明Ti作为关键合金元素可以细化合金微观结构并促进强化相的形成[25]、[26]、[27]，但系统深入的理解仍不足。特别是对于等离子熔覆特有的快速非平衡凝固过程，尚不清楚Ti元素的添加如何从根本上影响组成元素的偏聚趋势以及微观能量和电子结构层面沉淀相的形成和稳定性。这种机制理解的缺乏限制了通过成分设计精确调控涂层微观结构和性能的能力。

基于成本和性能的综合考虑，本研究采用等离子熔覆工艺制备Al_0.3CrFe_1.5Ni_1.5Ti_x（x = 0, 0.25, 0.5, 0.75）高熵合金涂层。通过实验、热力学分析和第一性原理计算的结合，本研究从能量和电子结构的角度阐明了这些涂层中相不稳定的内在机制，进一步解释了元素偏聚的行为，并明确了Ti掺杂调控涂层微观结构和力学性能的途径。本研究为推进高熵合金在增材制造领域的应用奠定了基础。

实验材料与方法

所选实验材料为纯度≥99%、粒径为150目的Al、Cr、Fe、Ni和Ti粉末。充分混合和干燥后，使用DML-03AD等离子弧粉末表面机在Q235钢基底上制备Al_0.3CrFe_1.5Ni_1.5Ti_x（x = 0, 0.25, 0.5, 0.75）高熵合金涂层，涂层厚度约为5 mm。所得涂层分别标记为Ti0、Ti0.25、Ti0.5和Ti0.75。

涂层的相组成和微观结构特征

涂层的XRD表面图（图3）表明，Al_0.3CrFe_1.5Ni_1.5高熵合金涂层由单一的FCC相组成。随着Ti含量的增加，涂层中开始出现L1₂相（Ni₃(Al, Ti)和Laves相（Fe?Ti）。由于FCC和L1₂晶体结构相同且晶格常数相近，它们的衍射峰相互重叠[28]。Ti掺杂后，衍射峰整体向低角度移动，表明Ti已溶解进入

结论

本研究结合实验、热力学分析和第一性原理计算，探讨了Ti元素对Al_0.3CrFe_1.5Ni_1.5高熵合金涂层微观结构演变和力学性能的影响及其内在机制。主要结论如下：

(1)

Ti掺杂后，涂层的相组成从单一的FCC相转变为FCC、L1₂和Laves相的共存。计算结果表明，Ti的掺入显著

未引用参考文献

[40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51]

CRediT作者贡献声明

邢家辉：研究工作。徐文涛：研究工作。邓小花：资源提供。刘凯：研究工作。刘志成：方法学设计、资金获取。姜长双：资源提供。刘伟良：资源提供。胡健：研究工作。张星星：初稿撰写、可视化处理、方法学设计、概念构思。周永强：资金获取、概念构思。彭文义：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。曲玉海：资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。我们确认本手稿中的结果和解释是原创的，未抄袭任何现有文献。所有作者均已阅读并遵守《Alloys and Compounds》期刊的利益声明政策。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52301014）、江西省自然科学基金（项目编号20244BAB28013）、重庆市自然科学基金（项目编号CSTB2022NSCQ-MSX0389）以及江西省研究生创新专项基金（项目编号YC2024-B035和YC2025-B040）的资助。