广东省科学院刘敏教授、闫星辰研究员团队:激光熔覆FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金涂层腐蚀摩擦复合行为
2025-11-05 16:04:54 作者:本网发布 来源:中国表面工程 分享至:

Corrosion-friction Behavior of Laser Cladding FeCoCrNiAl0.5Ti0.5 High Entropy Alloy Coating
 

 

激光熔覆FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金涂层腐蚀摩擦复合行为

 

本文为广东省科学院新材料研究所刘敏教授、闫星辰研究员团队撰写发表在《中国表面工程》2025年第38卷第3期的研究论文,题为“激光熔覆FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金涂层腐蚀摩擦复合行为”。

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高熵合金因其优异的强度、韧性和耐蚀性,被认为是下一代极端服役环境下结构与功能一体化材料的重要候选。然而,在复杂服役条件中,材料表面往往同时承受磨损与腐蚀的双重作用,导致其失效机制更为复杂。针对这一科学问题,揭示高熵合金在腐蚀—摩擦耦合环境下的演化规律,对于实现其工程化应用具有重要意义。

广东省科学院新材料研究所刘敏教授、闫星辰研究员团队在《中国表面工程》2025年第38卷第3期发表研究论文《激光熔覆FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金涂层腐蚀摩擦复合行为》,系统研究了FeCoCrNiAlTi高熵合金在激光熔覆成形后的组织结构与腐蚀—摩擦耦合下的磨损机理,揭示了涂层在干湿环境下的摩擦演变规律及失效特征。



01

引用格式


郭一帆, 郭学平, 卢冰文, 闫星辰, 刘敏, 殷硕. 激光熔覆FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金涂层腐蚀摩擦复合行为 [J]. 中国表面工程, 2025, 38(3): 185-198.


GUO Yifan, GUO Xueping, LU Bingwen, YAN Xingchen, LIU Min, YIN Shuo. Corrosion-friction Behavior of Laser Cladding FeCoCrNiAl0.5Ti0.5High Entropy Alloy Coating[J]. China Surface Engineering, 2025, 38(3): 185-198.




































02

创新点



一是通过显微组织表征与摩擦磨损实验相结合,系统分析了FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金在干湿环境下的摩擦磨损行为,揭示了腐蚀—摩擦耦合条件下涂层表面氧化膜生成、破裂与再生成的动态演化规律;二是明确了在干摩擦过程中以三体磨损和磨粒磨损为主、在湿摩擦过程中由腐蚀作用诱发的氧化磨损与膜剥落效应主导的复合磨损机制,建立了激光熔覆高熵合金在腐蚀介质中“磨损—腐蚀”协同失效模型;三是通过调控Fe、Co、Cr、Ni、Al、Ti元素的相互作用及凝固组织形态,实现了BCC+FCC双相及L21有序相的协同强化,显著提升了涂层的硬度与耐磨性能。本研究为激光熔覆高熵合金在复杂服役环境中的抗磨抗蚀设计提供了理论依据与实验参考。













































03

研究结果


研究结果表明,腐蚀环境对FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金涂层的摩擦磨损行为具有显著影响。干摩擦条件下,涂层表面主要发生三体磨损和磨粒磨损,磨痕深度较浅,摩擦因数稳定在0.69左右,表现出优异的耐磨性能;而在3.5wt.% NaCl溶液中进行湿摩擦时,随着浸泡时间延长,钝化膜逐渐破损,腐蚀产物增多,磨痕深度明显增大。当浸泡时间为0 d时,涂层磨损率最低,仅为1.11×10-5 mm3/(N·m),表面形成致密氧化膜起到润滑作用;浸泡5 d后,钝化膜增厚且局部破裂,磨损率略有升高;浸泡10 d时,裂纹沿涂层表面扩展,磨损机制由氧化磨损逐渐向复合磨损转变;当浸泡15 d后,涂层表面出现明显点蚀坑和剥落区,磨损率上升至3.08×10-5 mm3/(N·m),比未浸泡样品增加约1.77倍。微观分析结果进一步表明,干摩擦下摩擦生热促使表层形成稳定的Al2O3、Cr2O3和TiO2氧化膜,有助于降低磨损速率;而湿摩擦条件下溶液渗入裂纹和磨痕内部,导致氧化膜破裂、剥落并形成新的磨粒,三体磨损效应显著增强。总体而言,干摩擦以热致磨粒磨损为主,湿摩擦则表现出腐蚀、氧化与机械磨损的协同耦合特征。这些结果揭示了激光熔覆高熵合金在腐蚀—摩擦复合环境下的失效演化规律,为其在复杂服役条件中的应用优化提供了重要参考。






04

研究结论



1

激光熔覆形成的FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金呈典型的BCC+FCC双相结构,并伴随L2₁有序相生成,组织均匀致密。



2

涂层显微硬度较AISI 1045钢基体显著提升,平均提高约183%,表现出优异的耐磨性能。



3

干摩擦条件下涂层以三体磨损和磨粒磨损为主;湿摩擦过程中,腐蚀与氧化磨损耦合导致钝化膜破裂与剥落,磨损速率随浸泡时间增加而升高。



4

与微观分析结果一致揭示,涂层在腐蚀—摩擦耦合环境中的失效过程由“氧化膜生成—破裂—再生成”循环主导,体现出典型的协同磨损机制。




05

前景与应用



1

极端服役环境应用:激光熔覆FeCoCrNiAl0.5Ti0.5高熵合金具有优异的耐磨耐蚀性能,可在海洋、航空航天及能源装备等复杂服役环境中应用,有效抵抗腐蚀—磨损耦合作用下的表面失效,显著提升关键部件的使用寿命与可靠性。


2

高性能防护层设计:研究揭示的腐蚀与磨损协同机理为高熵合金表面强化提供了理论依据,可为下一代高强度、高稳定性防护层的成分优化与组织设计提供指导,实现高效防护与轻量化的统一。


3

绿色制造与再制造:激光熔覆技术属于可控、节能的表面改性工艺,可在机械、船舶及能源装备等行业的再制造领域推广应用,降低资源消耗与环境负担,助力绿色制造发展。


4

多体系高熵合金拓展:该研究建立的“腐蚀—磨损”协同失效模型与强化机制分析框架,可推广至其他FeCoCrNi系及多主元高熵合金体系,为多材料体系的设计优化和工程应用提供参考路径。

























06

课题组简介


论文主创


 


郭一帆

 

博士研究生,现就读于爱尔兰都柏林圣三一大学。研究方向为激光与增材制造,以第一作者在Mat Sci Eng A, J. Alloys Compd及Surf Coat Tech期刊发表SCI论文3篇。




卢冰文

 

博士,高级工程师,广东省科学院新材料研究所激光制造研究室副主任,主要研究方向为表面工程与激光制造。入选广东省特支计划青年拔尖人才、广东省科协青年科技培育人才和广州市科协青年托举人才。兼任中国机械工程学会表面工程分会学组特聘专家、中国有色金属学会增材制造分会专委会委员、广东省机械工程学会再制造工程分会副理事长、中国表面工程期刊青年编委等。主持国家科技重大专项课题、国家自然科学基金(面上、青年)等国家和省市级各类项目10余项以及企业委托横向项目20余项,在Additive Manufacturing、Tribology International等权威期刊发表SCI学术论文60余篇,授权发明专利40余件和PCT/美国专利5件,主持编写著作2部,主持/参与制定国家、团体等标准10余项,获中国有色金属工业科学技术一等奖和二等奖、粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛银奖等科研奖励6项。

 


闫星辰

 

博士,研究员,广东省科学院新材料研究所激光制造研究室主任,入选中国科协青年人才托举工程、广东省特支计划青年拔尖人才、广东省科学院“杰出青年”、广东省科学院新材料研究所领军人才。兼任广东省机械工程学会增材制造(3D打印)分会理事长、中国光学学会激光加工专委会常委,中国有色金属学会金属医用材料专委会委员、中国机械工程学会表面工程分会委员、广东省材料研究学会青年委员会副秘书长等。主要从事激光成形高性能材料研究,主持国自然(青年、面上)、国家重点研发计划课题等项目十余项,以第一/通讯作者发表SCI论文64篇,出版著作3本,申请发明专利47件(获授权15件)。2022-2025年入选全球前2%科学家。获中国有色金属工业协会一等奖1项,二等奖2项;参与/制定国家标准5项、牵头团体标准8项。

 


刘敏

 

教授级高级工程师、博士生导师,“973”和国家重点研发计划项目首席科学家,入选国家百千万人才工程,任现代材料表面工程技术国家工程实验室主任、中国材料研究学会表面工程分会理事长等职务,曾任广州有色金属研究院和广东省科学院副院长。主要从事材料表面工程及激光制造技术研究,主持国家“863”、“973”、国家重点领域研发计划及省重大专项等重大科研项目30余项,参与国内首台低压等离子喷涂设备研制;开发了航空领域抗高温防护涂层并批量生产;在国内率先开展了热喷涂和激光熔覆涂层在钢铁退火炉辊及替代电镀硬铬层研究,成功应用于钢铁、包装印刷等关键部件;主持创办了两家热喷涂、激光加工高新技术企业。获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖5项、二等奖7项、三等奖3项。编写论著1部,发表论文150多篇,授权专利30多件。

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