研究背景
以高熵合金、中熵合金等为代表的多组元合金具有高强韧性、硬度高、高耐磨性等一系列优异力学性能，可作为恶劣服役工况下装备表面强化涂层的理想材料。而高熵合金的混合熵高低主要与合金元素组元的个数和含量有关，与组元的元素种类无关，因此本工作设计了一种多组元合金成分体系(FeNiCo)-(AlCrSiTi)，其由主要组元（Fe，Ni，Co）以及合金化组元（Al，Cr，Si，Ti）构成，丰富了激光沉积多组元合金涂层组织性能的调控手段，对提高恶劣服役工况下装备关键零部件的表面性能、提升装备整体的使用寿命具有重要意义。
创新点
研究了合金组元（Al，Cr，Si，Ti）含量的改变对多组元合金成分体系(FeNiCo)-(AlCrSiTi)微观结构、析出相以及力学性能的演变规律。研究了合金微观结构由柱状晶转变为等轴晶的机理。
结果展示
图1为激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层的XRD图谱及各物相的体积分数。不同合金化组元含量下的涂层均主要由体心立方结构的固溶体相（BCC）和面心立方结构的固溶体相（FCC）构成，另外还存在少量的Ni3Ti2Si金属间化合物。
图1 激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层的XRD物相分析
（a）XRD图谱；（b）各物相体积分数
图2~图4分别为不同合金化组元含量下激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层纵截面OM形貌图。由图可知，涂层顶部均主要由等轴晶组织构成，对于涂层的中部，显微组织由柱状晶以及等轴枝晶组织共同构成，对于靠近基板的涂层底部，显微组织均主要由外延生长的柱状晶组织构成。
图2 激光沉积A涂层纵截面OM形貌
（a）宏观形貌；（b）涂层顶部；（c）涂层中部；（d）涂层底部
图3 激光沉积B涂层纵截面OM形貌
（a）宏观形貌；（b）涂层顶部；（c）涂层中部；（d）涂层底部
图4 激光沉积C涂层纵截面OM形貌
（a）宏观形貌图；（b）涂层顶部；（c）涂层中部；（d）涂层底部
图5为温度梯度以及溶质浓度对激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层成分过冷的影响示意图，对于涂层底部，由于温度梯度G较高导致成分过冷度ΔTCS较小，成分过冷度最大值（ΔTCSmax1）小于ΔTN，无法触发异质形核行为，故显微组织以连续外延生长的柱状晶为主。对于涂层顶部，由于G的降低使得ΔTCS显著增加，当ΔTCSmax2刚好等于ΔTN时，可触发异质形核行为；随着G的进一步降低，更多的潜在异质形核核心得以形核长大，形成等轴晶晶粒，而涂层中部G介于底部和顶部之间，虽然涂层中部的ΔTCS足以触发异质形核行为，但获得的等轴晶比例不足以完全阻断柱状晶生长，因此显微组织呈现柱状晶和等轴晶混合的形貌。
图5 温度梯度（a）以及溶质浓度（b）对激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层成分过冷的影响示意图
图6所示为(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层纵截面SEM显微组织。对于A涂层（合金化组元含量为6%，质量分数，下同）和B涂层（合金化组元含量为12%），显微组织观察区域分别选取柱状枝晶和等轴枝晶区域。SEM下，可观察到试样的显微组织均由两个固溶体相构成，枝晶间区域（interdendrite region, ID）组织呈灰白色，而枝晶内区域（dendrite region, DR）组织呈深灰色。对于A、B涂层，ID区域组织为BCC相，DR区域组织为FCC相。对于C涂层，DR组织应为BCC相。对合金化组元含量不同的多组元合金涂层试样ID和DR成分进行EDS分析，结果如表3所示，结合XRD物相定量分析结果（图1（b）），可知涂层中的Ni3Ti2Si相主要分布在ID附近区域。
图6 激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层纵截面SEM显微组织
（a）A涂层柱状枝晶区域；（b）B涂层等轴枝晶区域；（c）C涂层细小等轴晶区域
表3 激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层中各元素分布情况（质量分数/%）
Table 3 Distribution of the elements in the laser deposited (FeNiCo)-(AlCrSiTi) multicomponent alloy coatings (mass fraction/%)
图7（a-1）~（c-1）为不同激光沉积不同成分的多组元合金涂层中BCC相的高倍SEM形貌，可以观察到BCC相内部存在大量纳米尺寸的规则方形析出相颗粒，对析出相颗粒尺寸进行统计分析，结果如图7（a-2）~（c-2）所示。随着合金化组元含量增高，涂层中析出相颗粒的密度显著增加，颗粒平均尺寸明显减小，且尺寸分布更加均匀。在扫描透射电子显微镜（STEM）模式下，利用EDS线扫描对方形析出相颗粒的成分进行了分析，结果如图8所示。结果表明，方形析出相颗粒主要由Al，Ni，Ti三种元素构成且与BCC相共格的L21相。
图7 激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层BCC相中纳米析出相颗粒形貌(1)及尺寸分布(2)
（a）A涂层；（b）B涂层；（c）C涂层
图8 STEM下纳米析出相颗粒成分EDS线扫描分析
图9为激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层纵截面显微硬度分布情况。随着合金化组元含量升高，涂层整体显微硬度上升。图10为激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层三点弯曲应力-应变曲线，随着合金化组元含量的升高，涂层抗弯强度由2208MPa降低至1374MPa，同时涂层所能承受的最大应变也由7.3%降低至0.47%。
图9 激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层纵截面显微硬度
图10 激光沉积(FeNiCo)-(AlCrSiTi)多组元合金涂层三点弯曲应力-应变曲线
作者信息
唐延川1,2,万能1,2,唐兴昌3,4,刘德佳1,2,焦海涛1,2,胡勇1,2,赵龙志1,2
1. 华东交通大学 载运工具先进材料与激光增材制造南昌市重点实验室, 南昌 330013;
2. 华东交通大学 材料科学与工程学院, 南昌 330013;
3. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050;
4. 兰州理工大学 材料科学与工程学院, 兰州 730050
收稿日期:2020-07-22;修订日期:2021-02-21
基金项目:国家自然科学基金（51701074，51865011）；江西省自然科学基金（20181BAB216003）；江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ170407）
通讯作者:唐延川(1989-), 男, 副教授, 博士, 主要从事先进金属结构材料激光成型技术研究, 联系地址: 江西省南昌市经济技术开发区双港东大街808号华东交通大学南区(330013),E-mail:tangyanchuan89@163.com;赵龙志(1977-), 男, 教授, 博士, 主要从事高性能金属基复合材料、材料表面强化和激光成型技术研究, 联系地址: 江西省南昌市经济技术开发区双港东大街808号华东交通大学南区(330013),E-mail:zhaolongzhi@163.com
原文刊载于【材料工程】公众号
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