高熵合金涂层的高温摩擦学性能及机理

With the rapid development of aviation, aerospace and energy industries, the higher requirements for the comprehensive properties of the coatings in harsh conditions are put forward. Compare to the traditional coatings, high entropy alloys coatings enrich the design concept of coatings and enhance the wear resistance and high temperature stability of the coatings. Therefore, high entropy alloys coatings have potentially broad application on surface protection of gas turbine blade in harsh conditions. However, lacking of deep research on the multi-component structure evolution and control mechanism of high entropy alloys coatings under high temperatures limits the application of high-entropy alloys coatings. In this research, laser cladding and plasma cladding are carried out to obtain novel and typical high-entropy alloys coatings, which focus on the influences of coating process parameters and stress state on the phase transformation mechanism, interface structure and tribological properties and critical failure mechanisms. With the analysis of thermo-dynamic, finite element and molecular-dynamics, this research aims at obtaining the relationship between bonding energy and bonding strength of complex interface, constructing corresponding thermodynamic model, revealing the rule of phase transformation, stress distribution and interface evolution during the high temperature friction progress, and indicating the optimal regulation mechanism of ingredients-structure–performance under the temperature-dependent effect. The implement of this project will be benefit to evaluate the reliability of high-entropy alloys coatings and develop theory support to increase the high temperature friction properties of aerospace gas turbine blade.

航空、航天、能源等工业的高速发展对涂层材料在苛刻环境下的综合性能提出了更高的要求。高熵合金的提出丰富了涂层的设计理念，并在耐磨性、高温稳定性等方面展现出独特的优异性质，因此，这类涂层在提高燃机叶片苛刻工况下的表面防护性能方面具有广阔的应用前景。然而，缺乏对高熵涂层高温服役条件下结构的演化及控制机制方面的深入研究是制约其实际应用的重要瓶颈问题。本课题拟采用熔覆法制备典型/新型高熵合金涂层，重点探究工艺参数、应力状态等对涂层相变机制、界面结构演化、摩擦磨损性能及失效机制的影响；并通过分子动力学、有限元及热力学分析，研究复杂界面的结合能与界面结合强度的理论关系，构建相应热力模型，揭示高温摩擦过程中的涂层相变、应力分布及界面演化规律，明确涂层的成分-结构-性能在温变效应下的优化调控机制。项目研究内容的开展，将为该类涂层在燃机叶片等高温摩擦应用领域中的成分优化设计和结构调控提供理论指导。

高熵涂层在耐磨性、高温稳定性等方面展现出独特的优异性质，但是高温服役条件下结构的演化及控制机制方面的深入研究是制约其实际应用的重要瓶颈问题。本项目采用实验与数值模拟相结合的研究方法，对典型/新型高熵合金涂层组织结构、界面特征及高温摩擦学性能及其密切相关的高温稳定性，以及多环境服役条件下的涂层演变规律进行针对性的研究，以期实现该类涂层在高温摩擦应用领域中的成分优化设计和结构调控。项目按照预期研究计划执行，研究过程顺利，已经完成的主要研究内容有：采用激光熔覆、等离子熔覆等技术制备各类典型/新型耐磨、抗高温高熵合金涂层，结合热力学模拟计算，重点研究了工艺条件对高熵合金涂层组织及力学性能的影响，揭示了熔覆条件对高熵合金涂层成分、组织、界面结合等的影响规律以及作用机理；通过高温磨损、电化学、热重等试验，研究了高熵合金涂层的摩擦学性能、耐蚀性能、抗氧化性能以及界面特征，阐明了高熵合金“岛状”结构形成的界面传质机理，明确了其高温耐磨蚀性能的协同提升及强韧一体化机制；研究了V元素、石墨、热处理、激光重熔等改性技术对高熵合金涂层结构特征、力学、高温稳定等的影响规律，探明了改性手段对新型高熵合金涂层性能提升机制，揭示了不同添加物对涂层晶粒细化及耐蚀性提高机制；通过TEM原位动态力学实验，研究了高熵合金涂层在纳米尺度下轴向拉力诱发晶态向非晶态的转变行为，并阐明了高熵相界面以及高熵相内部位错的增殖与应力响应机制。本项目深入揭示了高熵合金涂层的微观组织及其与服役性能的相互作用关系，为高熵合金涂层关键服役性能的有效提升提供了有效的理论支撑和实验依据，对高熵合金涂层在燃机叶片等高温摩擦应用领域的防护应用具有重要的指导意义。同时，基于上述研究成果，申请国家发明专利8项（其中授权4项）；发表SCI学术论文19篇；获得黑龙江省科学技术奖（自然科学类）二等奖1项。