高熵合金涂层的研究进展

何彬 赵东宁

沈阳市市场监管事务服务与行政执法中心 辽宁沈阳 110000

1 高熵合金理论基础

合金体系中的位形熵不仅与主元数量有关而且与各主元的相对含量息息相关。一些学者认为当各主元以等原子比混合时，系统的位形熵达到最大值。众所周知，影响二元合金形成的主要因素有溶质晶体结构、负电性差异、原子尺寸差和价电子浓度。对于高熵合金，除了这四个方面的影响，混合焓和混合熵这两个因素的影响至关重要[1]。

研究发现，当系统的混合熵较高时，自由能则会降低。而由5～13种主元组成的合金，其混合熵相对于二元或者三元合金要高得多，并且高混合熵可以促进简单立方结构高熵合金的形成。可以通过Ω和δ两个参数来预测高熵合金的形成的难易程度。研究表明，当Ω≥1.1且δ≤6.6%时，容易形成具有简单立方结构的高熵合金而不易出现金属间化合物和比较明显的成分偏析。

2 高熵合金涂层的制备

图1 控溅射工作原理图

2.1 热喷涂高熵合金涂层

热喷涂是利用一种热源（如火焰、电弧或者等离子喷涂等）将涂层材料加热到熔融或者半熔融状态，然后以一定的速度将熔化的液滴喷射到经过热处理的试样表面，从而形成具有各种功能的涂层的一门技术。目前，热喷涂技术已经成为制备高熵合金涂层的主要方法之一。

自P.K.Huang等人首次发现等离子喷涂可以用来制备高熵合金涂层以来，热喷涂技术在制备高熵合金涂层方面得到了广泛地关注。郭伟等人利用高速电弧喷涂方法在AZ91镁合金表面制备FeCrNiCoCu和FeCrNiCoCuB两种高熵合金涂层。L.M.Wang等人研究了加入或移除某种元素对NixCo0.6Fe0.2CrySizAlTi0.2高熵合金组织和性能的影响，并且对比了热喷涂法以及熔铸法制备的高熵合金的组织和硬度变化。实验表明熔铸高熵合金由纳米颗粒物、原子偏析、孪晶组织以及亚晶组织均匀分布在基体中，而热喷涂1100℃保温10h的高熵合金涂层则由大量的纳米颗粒物和位错组成并且其硬度和铸态高熵合金的硬度值接近。虽然热喷涂技术具有操作简单以及喷涂过程中对基体材料影响较小，不易产生应力和变形和可以通过加入一些额外元素改变高熵合金涂层的组织性能等优点，但高熵合金涂层与基体结合力不强和涂层厚度较薄等不足使其不能满足高速重载环境的使用要求[2]。

2.2 磁控溅射高熵合金涂层

磁控溅射是由二极溅射发展而来的，弥补了沉积速率低、等离子体离化率低等不足。磁控溅射一般是在电场的作用下，辉光放电产生的等离子体对靶材进行轰击，把靶材表面的离子、原子和分子等轰击出来，然后在一定的速度下射向基体并沉积在表面而形成涂层（原理如图1所示）。磁控溅射可以用来制备各种硬质保护涂层如TiN和AlN等。由于磁控溅射可以溅射几乎所有金属、合金以及陶瓷材料等材料，所以磁控溅射也成为制备高熵合金涂层的主要方法之一。

李伟等人采用磁控溅射制备了不同Al含量AlCoCrFeNi高熵合金薄膜并且研究不同Al含量对高熵合金涂层组织和性能的影响。黄元盛等人为了研究高熵合金氧化物薄膜的光学特性，采用磁控溅射在单晶硅与玻璃上制备AlCoCrCu0.5NiFe高熵合金氧化物薄膜，并且研究了不同氧分压和退火处理对薄膜折射系数的影响。V.Braic等人分别在C45和M2基体上利用磁控溅射设备制备了（TiZrNbHfTa）N和（TiZrNbHfTa）C涂层，并且与TiN、TiC和TiZrNbHfTa涂层的性能作比较。结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涂层获得了优异的摩擦磨损性能，其摩擦系数和磨损比率分别是0.15和0.8×10-6N-1m-1。高硬度和较低的摩擦磨损系数使该高熵合金涂层在摩擦学应用有着很大的前途。Chun-YangCheng等人利用磁控溅射设备制备了BNbTaTiZr非晶态高熵合金涂层。虽然磁控溅射具有能制备组织性能优异的高熵合金涂层、容易控制涂层成分以及涂层厚度较均匀等优点，但磁控溅射高熵合金涂层存在着结合力不强以及相对于其他制备工艺来说工艺较为复杂等缺点。

3 总结与展望

多主元高熵合金是一种新型的合金，十几年来一直被国内外的研究人员所青睐，因此高熵合金涂层也取得了一系列的研究成果。高熵合金创造性地突破了传统合金设计理念，由于高熵效应的影响，高熵合金组织呈现出简单的立方结构、甚至纳米相、非晶态和少量的金属间化合物，而在传统的二元或三元合金中想得到纳米相则需要复杂的处理[3]。所以，高熵合金涂层具有很好的研究价值。

另外，制备高熵合金涂层方法都有各自的不足，这在一定程度上限制了高熵合金涂层的发展。针对目前研究遇到的问题，以后的研究应该更加注重基础研究以建立更加完善更加系统的高熵合金设计体系和建立全面的多主元高熵合金相图。为了弥补高熵合金涂层制备方法的不足，应该尝试或者开发新的制备方法，也可以结合利用多种工艺制备组织和性能更好的高熵合金涂层。