高能微弧火花沉积高熵合金涂层形成机理及控制机制研究

Due to high-entropy effect, high-entropy alloy (HEA) coating can largely enhance properties of substrate surface, which makes HEA be a new material in the coating field. This project presents a novel approach to prepare HEA coating via high-energy micro-arc spark (HEMAS). HEMAS-computer integrated deposition system (HEMAS-CIDS) will be set up in order to realize the deposition-automatization and the controllability of the coating quality, microstructure, and apparent characteristics of HEA coating. The transfer and its control law of every element of HEA electrode in HEMAS process will be carried out. The effect of process parameters on coating's structure pattern will be explored. The preparation and its control of coatings with single simple FCC/BCC solid solution, nano-crystaline /micro-crystaline and amorphous will be studied. The microstructure formation and its evolution mechanism and their effects on the properties of coatings will be investigated. The high-temperature stability and the evolution behavior of structures in high-temperature of HEA coatings will be analyzed. The microstructures and their control mechanism of the HEA metallic coating, nitride coating and carbide coating will be carried out. Eventually, the approaches to improve wear resistance, hardness, corrosion resistance and anti-high-temperature oxidation will be gotten. This project has a very important theoretical and practical significance to enrich the coating preparation connotation and expand innovative ideas of coating preparation.

高熵合金涂层因其高熵效应作用可大大提高金属表面性能，成为涂层领域的新型材料。本项目提出采用高能微弧火花制备高熵合金涂层的新方法，构建高能微弧火花-计算机集成沉积系统，实现沉积过程的数控化和对高熵合金涂层质量、结构和表观特征的可控性。本项目通过研究高能微弧火花下高熵合金电极各元素的过渡和控制规律；工艺参数对高熵合金涂层结构类型的影响规律；具有简单FCC/BCC固溶体结构、纳米晶/微晶及非晶结构的高熵合金涂层制备和控制方法；高熵效应下涂层显微组织形成及演变机理及其对涂层性能的影响规律；高熵合金涂层的高温稳定性及其高温结构演变行为；高熵合金金属涂层与其氮/碳化物涂层显微结构及其控制规律；最终获得提高涂层耐磨性、硬度、耐蚀性和抗高温氧化性能的新方法。本研究对丰富涂层制备内涵，开拓新材料涂层制备新思路，具有非常重要的理论及现实意义。

传统的涂层材料已经难以适应现代工业需求，探索不同工艺制备高性能高熵合金涂层成为近年来涂层研究领域的新热点。高能微弧火花沉积以其独特的工艺特点，使其在近年的应用推广中取得快速发展，并确立了其在再制造技术领域中的特殊地位。然而，以高能微弧火花沉积工艺制备高熵合金涂层至今还未展开系统研究，为此本项目在高能微弧火花计算机集成沉积系统、高熵合金涂层质量控制规律、高熵合金电极各元素过渡规律和高熵效应下高熵合金涂层组织结构及其控制四个方面开展研究。. 本项目取得了重要研究成果，包括：面向工业界越来越多复杂曲面涂层的精确制备问题，引入NURBS理论和CNC技术，提出一种高能微弧火花数控化沉积新方法；针对复杂曲面涂层沉积过程精确控制问题，提出NURBS函数映射曲线沉积轨迹规划与控制方法，使高能微弧火花数控化沉积工艺在1µm精度上实现沉积轨迹精确控制。面向 多元高熵合金系电极成分设计问题，提出混合焓矩阵，开发出多元高熵合金电极-计算机辅助设计系统，进而提出基于多元高熵合金系热力学参数曲线特征点成分设计方法，解决了高能微弧火花数控化沉积用多元高熵合金系电极成分设计问题。选取具有一定阻燃性能元素，并借助多元高熵合金系热力学参数曲线特征点成分设计方法设计出CoCuFeNiCrx系多元高熵合金电极，采用高能微弧火花数控化沉积工艺，在TC11基体上成功制备出具有固溶体结构的多元高熵合金涂层。采用CuNiSiTiZr多元高熵合金电极在TC11基体上制备出多尺度微纳晶多元高熵合金涂层；采用CuNiTiZr多元中熵合金电极在TC11基体上制备出了多元中熵非晶涂层。上述三类涂层可有效提高TC11钛合金抗烧蚀性能，烧蚀面积减小20%以上。. 本项目对丰富涂层制备内涵，开拓新材料涂层制备新思路，具有非常重要的理论及现实意义。其不仅具有重要的学术价值，而且对于开拓涂层制备新方法，加强数据储备，促进高熵合金涂层、纳米晶/微晶涂层和非晶涂层在航空、航天、船舶等高技术领域的应用具有巨大的、潜在的社会经济效益。