海洋装备中的轴、阀、泵及传动部件长期浸泡于含氯离子介质中，表面钝化膜在摩擦接触下反复破裂-再钝化，形成腐蚀与磨损相互加速的“摩擦腐蚀”损伤机制。传统镍基、钴基及不锈钢合金虽然工艺成熟，但其性能提升多依赖单一强化机制，在摩擦腐蚀耦合工况下难以同时兼顾高承载能力、耐腐蚀性与损伤容限。高熵合金通过多主元固溶、晶格畸变与迟滞扩散效应，为同时优化强度与耐蚀性提供了更宽的成分空间；而共晶高熵合金进一步引入软硬相交替的层片或网状组织，可利用相界面的协调变形、裂纹偏转与钝化膜自修复效应，提升综合服役性能。本研究选择 Al-Co-Cr-Ni 体系并引入可变 Nb 含量，正是利用 Nb 促进 Laves 相形成的能力，以调控 FCC 固溶体与 Laves 金属间化合物的体积分数、形貌与尺寸，从而建立“成分-组织-性能”之间的定量关联。
图1｜Nb 含量调控下 AlCoCrNiNb 涂层的共晶组织演化。Al0.5CoCrNi1.5Nbx（x = 0.5、0.6、0.7）涂层随 Nb 含量增加由亚共晶组织向细片层共晶、再到过共晶组织转变；Laves 相体积分数提高，FCC/Laves 界面结构相应变化。
涂层以 E690 钢为基体，采用激光熔覆逐层沉积 Al0.5CoCrNi1.5Nbx 合金粉末。熔池的快速凝固特征使涂层在较宽凝固区间内形成非平衡共晶组织。随着 Nb 含量从 0.5 增加到 0.7，凝固组织依次为亚共晶（Nb0.5）、细片层共晶（Nb0.6）和过共晶（Nb0.7）：Nb0.5 中先析出粗大块状初生 Laves 相；Nb0.6 形成细小均匀的 FCC/Laves 层片共晶团；Nb0.7 则因 Nb 过量再次出现粗化初生 Laves 相。热力学计算与透射电镜分析表明，Nb 在 Laves 相中显著富集，FCC 相中 Nb 含量较低，两相界面为非共格关系。Nb0.6 的细片层共晶具有最大的 FCC/Laves 界面面积和最均匀的相分布，这种组织特征既有利于承载相与变形相的协调，又能在腐蚀环境中形成更稳定的复合钝化膜，是后续性能测试中出现优异耐蚀性的结构基础。
图2｜三种涂层的截面形貌与 SEM 微观结构。（a-c）截面低倍形貌；（d-f）中部区域高倍 SEM；（g-i）局部放大图，展示 Nb 含量变化引起的共晶形貌差异。
硬度与耐磨性是高承载涂层的基本指标。显微硬度测试表明，三种涂层的平均硬度分别为 379.4 HV0.3（Nb0.5）、436.9 HV0.3（Nb0.6）和 538.8 HV0.3（Nb0.7），硬度随 Nb 含量增加单调上升，这与硬质 Laves 相体积分数增加直接相关。纳米压痕进一步区分了两相的贡献：Laves 相硬度显著高于 FCC 相，而 FCC 相则提供一定的变形协调能力。干滑动磨损实验显示，Nb0.7 涂层具有最低的摩擦系数与磨损率（1.316 × 10⁻⁶ mm³·N⁻¹·m⁻¹），其磨损机制以轻微磨粒磨损为主，磨痕浅且无明显剥落。相比之下，Nb0.5 与 Nb0.6 涂层因硬度较低或承载相分布不均，磨损过程中更易出现层片状剥离与材料转移。这说明在干摩擦工况下，高硬度 Laves 相含量越高，抗犁削与抗黏着能力越强；但若硬度提升以牺牲共晶均匀性为代价，则磨损表面完整性反而下降。
图3｜三种涂层的干滑动摩擦磨损性能。（a）摩擦系数曲线；（b）平均摩擦系数与磨损率；（c）磨痕截面轮廓；（d-f）磨损表面三维形貌，显示 Nb0.7 涂层磨损程度最低。
在 3.5 wt% NaCl 溶液中的电化学测试显示，Nb0.6 涂层具有最高的腐蚀电位（−139.77 mV_SCE）与最低的腐蚀电流密度（1.323 × 10⁻⁸ A·cm⁻²），电化学阻抗谱也表明其钝化膜电阻最大。这一结果看似与硬度单调上升趋势不完全一致，说明耐蚀性并非由单一硬度决定，而是与共晶细化、相界面匹配及钝化膜组成密切相关。Nb0.6 的细片层共晶结构增加了 FCC/Laves 相界面密度，促进了界面处 Cr、Nb、Al、Ni 等元素的再分配，有利于形成富含 Cr₂O₃、Nb₂O₅ 与 Al₂O₃ 的复合钝化膜；该钝化膜在氯离子侵蚀下具有较高的化学稳定性与自修复能力。X 射线光电子能谱分析进一步证实了钝化膜中 Cr、Nb、Al 氧化物的富集。相比之下，Nb0.7 因初生 Laves 相粗化，相界面应力集中，在钝化膜破裂后更易诱发局部点蚀；Nb0.5 则因 Laves 相体积分数低、承载相不足，机械损伤更易破坏表面膜。
图4｜三种涂层在 3.5 wt% NaCl 中的电化学腐蚀行为。（a）动电位极化曲线；（b）Nyquist 图；（c）Bode 图；（d）等效电路模型，显示 Nb0.6 涂层具有最高的钝化膜电阻与最佳的电化学稳定性。
摩擦腐蚀测试将机械磨损与电化学腐蚀同时施加于涂层表面，是更接近实际服役的考核方式。实验结果显示，Nb0.7 涂层在摩擦腐蚀过程中材料去除量最低，但其磨损表面出现了较明显的点蚀坑与局部剥落；而 Nb0.6 涂层虽然硬度不是最高，却保持了更好的表面完整性，综合摩擦腐蚀性能最佳。作者将这一行为归因于 Nb0.6 的细 FCC/Laves 共晶结构、匹配良好的相界面以及稳定的 Cr-Nb-Al-Ni 复合钝化膜：在摩擦接触下，细片层组织能够有效分散接触应力，抑制裂纹萌生；同时复合钝化膜在破裂后快速再钝化，阻止腐蚀向纵深扩展。Nb0.7 由于初生 Laves 相粗化，局部应力集中导致钝化膜更易破裂，且粗硬质相在剪切作用下易从基体脱落，形成磨屑并加剧三体磨损。Nb0.5 则因 Laves 相含量不足，承载能力偏低，在摩擦腐蚀耦合作用下表面膜更易被完全移除。
图5｜摩擦腐蚀损伤机制示意图。细片层 FCC/Laves 共晶组织通过相界面协调变形、应力分散与稳定复合钝化膜的快速再钝化，实现摩擦腐蚀耦合损伤的有效抑制。
该研究通过系统调控 Nb 含量，建立了 AlCoCrNiNb 共晶高熵合金涂层的“成分-共晶组织-摩擦腐蚀性能”关联：Nb 含量增加提升了 Laves 相体积分数与硬度，但过高的 Nb 导致初生 Laves 相粗化，反而削弱表面完整性；Nb0.6 因细片层共晶、高相界面密度与稳定复合钝化膜，展现出最佳的综合摩擦腐蚀性能。从增材制造角度看，激光熔覆作为定向能量沉积工艺，通过熔池快速凝固获得了传统铸造难以实现的细共晶组织；而工艺参数（激光功率、扫描速度、送粉率）对熔池温度梯度与冷却速率的控制，直接决定了共晶片层间距与相分布，是后续工程应用需要重点优化的方向。对于需要复杂三维结构或局部功能梯度的部件，DIW 等粉末-浆料基增材制造路线虽然成形机理不同，但同样面临“打印态组织-后处理-服役性能”的协同调控问题。无论采用何种工艺，理解材料相变、界面稳定性与表面损伤机制之间的耦合关系，都是实现高性能防护涂层的关键。
综上，天津职业技术师范大学与哈尔滨工程大学团队采用激光熔覆制备了 AlCoCrNiNb 共晶高熵合金涂层，揭示了 Nb 含量调控 FCC/Laves 共晶组织并影响硬度、干滑动磨损、电化学腐蚀与摩擦腐蚀耦合行为的规律；其中 Nb0.6 因细片层共晶与稳定的 Cr-Nb-Al-Ni 复合钝化膜，表现出最佳的综合摩擦腐蚀性能。该工作为海洋钢表面防护涂层的高熵合金成分与组织设计提供了直接参考，也凸显了共晶组织调控在耐磨耐蚀涂层中的核心作用。
铂邦科技是 DIW 浆料直写 3D 打印设备厂家，设备软硬件全栈自研，内置诸多工程算法，可快速构建网格、晶格、二十四面体等平面与三维结构；算法一键生成点阵打印代码，并支持手绘建模，无需 CAD 工程背景。全栈工程师团队，支持你提想法、我们开发算法加硬件。
此外，我们也提供从料筒、针头到挤出模块的全链条通用配件，兼容不同品牌的主流 DIW 设备（不区分设备品牌），并支持整机定制开发与设备升级。
📌 持续跟踪 DIW 前沿？关注「铂邦科技」公众号，获取更多文献解读与原创工艺手记。查看全部技术前沿 →
扫码关注，第一时间获取 DIW / DLP / 静电纺丝 3D 打印技术前沿、顶刊解读与设备资讯
微信扫一扫，或长按识别二维码关注
正在加载推荐文章……