采用等離子噴涂工藝在不同噴涂功率（40，50，60kW）下于ZL109鋁合金基體表面制備FeCoNiCrAl高熵合金涂層，研究了涂層的微觀形貌、物相組成、硬度和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：隨著噴涂功率增加，FeCoNiCrAl高熵合金涂層表面鋪展?fàn)钚蚊苍龆?，孔洞?shù)量減少，表面趨于平滑，涂層孔隙率減小；不同噴涂功率下制備的涂層均主要由體心立方（BCC）相組成；隨著噴涂功率增加，涂層的顯微硬度增大；當(dāng)噴涂功率為60kW時，涂層的摩擦因數(shù)最小，耐磨性最好，20N載荷下涂層的主要磨損機理為磨粒磨損，存在少量疲勞磨損，40N載荷下為疲勞磨損。
01、研究背景
推動新能源汽車的發(fā)展，是貫徹“雙碳”戰(zhàn)略的關(guān)鍵。新能源汽車的續(xù)航能力是限制其發(fā)展的主要瓶頸。為了提高續(xù)航能力，輕量化技術(shù)成為汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展重心。鋁合金具有輕質(zhì)以及優(yōu)良的散熱性和經(jīng)濟性等優(yōu)點，成為輪轂輕量化的首選材料。但鋁合金存在硬度低、耐磨性較差等缺點，在服役過程中可能發(fā)生磨損，進而引發(fā)輪胎漏氣、車輪失衡、輪轂斷裂等安全問題。通過表面強化技術(shù)來提升鋁合金輪轂的耐用性，是延長其使用壽命的有效策略。
表面涂層技術(shù)是常用的一種表面強化技術(shù)，通過在零部件表面制備耐磨涂層可以有效提升零部件的力學(xué)性能和耐磨性能。高熵合金是一種新型固溶體結(jié)構(gòu)材料，通常由5種或5種以上的元素組成，相比傳統(tǒng)涂層材料，高熵合金涂層展現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，如高強度、高硬度、耐高溫氧化、優(yōu)異的耐腐蝕性、抗疲勞和斷裂韌性等。FeCoNiCrAl高熵合金具有簡單固溶體結(jié)構(gòu)，原子半徑尺寸較大的鋁原子可以引發(fā)晶格畸變，從而細化晶粒，因此合金的硬度高，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，材料應(yīng)用于鋁合金零部件。等離子噴涂具有成本低、能耗低等特點，可以制備厚度大于100μm的涂層，通過調(diào)控噴涂功率、噴涂距離、主氣流量等工藝參數(shù)獲得不同性能的防護涂層。作者采用等離子噴涂工藝在ZL109鋁合金表面制備FeCoNiCrAl高熵合金涂層，研究了不同噴涂功率下涂層的微觀形貌、物相組成、硬度和摩擦磨損性能，擬為鋁合金輪轂表面防護選材提供參考。可以作為耐磨涂層材料應(yīng)用于鋁合金零部件。
等離子噴涂具有成本低、能耗低等特點，可以制備厚度大于100μm的涂層，通過調(diào)控噴涂功率、噴涂距離、主氣流量等工藝參數(shù)獲得不同性能的防護涂層。作者采用等離子噴涂工藝在ZL109鋁合金表面制備FeCoNiCrAl高熵合金涂層，研究了不同噴涂功率下涂層的微觀形貌、物相組成、硬度和摩擦磨損性能，擬為鋁合金輪轂表面防護選材提供參考。
02、研究亮點
1 試樣制備與試驗方法
本章節(jié)重點內(nèi)容如下：
1.基體材料與預(yù)處理：基體為ZL109鋁合金（70mm×40mm×5mm），噴涂前經(jīng)超聲波清洗和噴砂處理。
2. 涂層材料：使用FeCoNiCrAl高熵合金粉末（北京中科言諾提供），粉末呈球形，平均粒徑37.9μm，為BCC單相結(jié)構(gòu)。
3. 噴涂工藝參數(shù)：
設(shè)備：HEP Jet-Ⅱ型等離子噴涂系統(tǒng)。
氣體：主氣氬氣（95%）、次氣氫氣（5%），送粉氣體為氮氣。關(guān)鍵參數(shù)：噴涂距離110mm，主氣流量130L/min，送粉速率30g/min，噴涂功率40/50/60kW，涂層厚度350~400μm。
4. 涂層表征方法：形貌與成分：SEM觀察表面/截面形貌，EDS分析微區(qū)成分?？紫堵剩夯叶确ńy(tǒng)計5個視圖（1000倍放大）。物相分析：XRD（銅靶，20°~90°掃描）。 硬度測試：顯微維氏硬度計（載荷0.98N，保載10s）。
5. 摩擦試驗：試樣尺寸20mm×20mm×5mm，拋光后與SiN陶瓷球?qū)δァ?shù)：無潤滑，滑動距離5mm，頻率4Hz，載荷20/40N，時長20min。 磨痕分析：SEM觀察形貌，EDS分析成分。
60 kW 噴涂功率下 FeCoNiCrAl 高熵合金涂層的元素面掃描區(qū)域和結(jié)果
2 試驗結(jié)果與討論
本章節(jié)重點研究了不同噴涂功率（40、50、60 kW）對FeCoNiCrAl高熵合金涂層性能的影響。主要內(nèi)容包括：
1. 表面形貌：隨功率增加，顆粒熔化更充分，鋪展?fàn)钚蚊苍龆?，孔洞減少（60 kW時表面最平滑）。
2. 相組成與晶粒細化：涂層均為BCC相，噴涂后晶粒細化（衍射峰半高寬增大），有助于提升硬度和耐磨性。
3. 涂層結(jié)合與結(jié)構(gòu)：涂層與基體機械結(jié)合緊密，界面無空隙；截面呈層狀結(jié)構(gòu)，孔隙率隨功率增加而降低（60 kW時孔隙率最小，0.90%）。
4. 元素分布：各功率下元素分布均勻，60kW時致密性最佳。
5. 顯微硬度：硬度隨功率增大而提高（60kW時達471.4HV），因孔隙減少致密性增強。
6. 摩擦學(xué)性能：60kW涂層摩擦因數(shù)最低（20N: 0.41；40N: 0.59），耐磨性最優(yōu)。20N載荷下以磨粒磨損為主，40N時疲勞磨損主導(dǎo)，伴隨氧化物層形成。
結(jié)論：60kW噴涂功率下涂層綜合性能最優(yōu)，兼具高硬度、低孔隙率和優(yōu)異耐磨性。
20 N 載荷下摩擦后 FeCoNiCrAl 高熵合金涂層的表面形貌和微區(qū)成分 ( 噴涂功率 60 kW)
03、結(jié)束語
（1）隨著噴涂功率增加，F(xiàn)eCoNiCrAl高熵合金涂層表面鋪展?fàn)钚蚊苍龆?，孔洞?shù)量減少，表面趨于平滑；不同噴涂功率下制備的涂層截面均呈典型層狀結(jié)構(gòu)，隨著噴涂功率增加，涂層孔隙率減小。不同噴涂功率下制備的涂層均主要由BCC相組成，與粉末一致。
（2）FeCoNiCrAl高熵合金涂層的顯微硬度均在400HV以上，遠高于基體（50HV）；隨著噴涂功率增加，涂層的顯微硬度增大。
（3）當(dāng)噴涂功率為60kW時，涂層的摩擦因數(shù)最小，耐磨性最好；涂層在磨損過程中發(fā)生氧化，20N載荷下磨損表面存在犁溝，出現(xiàn)氧化物團聚現(xiàn)象，主要磨損機理為磨粒磨損，存在少量疲勞磨損，40N載荷下涂層發(fā)生剝落，氧化物分布均勻，主要磨損機理為疲勞磨損。
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