熊梓帆， 肖 偉

(上海工程技術(shù)大學(xué)a. 城市軌道交通學(xué)院， b. 數(shù)理與統(tǒng)計(jì)學(xué)院， 上海 201620)

0 前 言

金屬和合金涂層歷史悠久，已與生活的各個方面密切相關(guān)，包括農(nóng)業(yè)、住房、交通、食品、機(jī)械和國防工業(yè)[1]。 在合金涂層發(fā)展的早期階段，是以一種主要元素與其他痕量元素熔合的方式提高性能[2]。 而現(xiàn)代合金涂層的化學(xué)成分卻有了很大的擴(kuò)展，例如以鎳合金涂層為代表的高溫合金涂層，除了Ni 之外，還含有多種其他元素。 而為了進(jìn)一步提高性能，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式遇到了瓶頸。 幸運(yùn)的是，合金涂層中元素組成的復(fù)雜性隨著時間的推移一直在穩(wěn)步增加。 在2004 年，Wan 等[3]首次獨(dú)立報(bào)道了晶體多主元素合金涂層和高熵合金涂層，但他們引用了相同的概念，與傳統(tǒng)的合金涂層設(shè)計(jì)概念不同，合金涂層元素不是僅基于1 種或2種元素，而是包含至少5 種原子百分比相等或接近相等的主要元素，它們的溶質(zhì)和溶劑之間沒有明顯差異[4]。 這些特性有助于增強(qiáng)高強(qiáng)度合金涂層在耐高溫、高強(qiáng)度、延展性、耐腐蝕和抗輻射等方面的優(yōu)勢，為航空航天工業(yè)提供更多可能的應(yīng)用[5]。

在高熔點(diǎn)合金涂層的研究領(lǐng)域，研究人員對不同的高熔點(diǎn)合金涂層在小尺度下的強(qiáng)度和延展性進(jìn)行了一系列研究，研究內(nèi)容包括:晶粒尺寸與力學(xué)性能之間的關(guān)系、熱力學(xué)性能以及晶格畸變、振動和相穩(wěn)定性之間的相互作用[6]。 這些合金涂層目前是材料科學(xué)中備受關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兙哂卸喾N多樣的電磁學(xué)和力學(xué)性能，這使得它們有望成為多種應(yīng)用的候選材料[7]。在其他性能中，高熵合金涂層還表現(xiàn)出在低溫下的高斷裂韌性和高強(qiáng)度特性，同時保持顯著的延展性。 高熵合金涂層在超導(dǎo)領(lǐng)域也有很廣泛的應(yīng)用，如在極端溫度下，高熵合金仍具有很高的電導(dǎo)率[8]。

在傳統(tǒng)的合金涂層開發(fā)的基礎(chǔ)上，人們積累了大量基于1 種或2 種成分的合金涂層的相關(guān)知識，但是對于成分更加復(fù)雜的合金涂層與其相關(guān)的知識相對匱乏。 當(dāng)在2 種組分的體系中，加入第3 組分，就會導(dǎo)致整個合金涂層體系趨于不平衡，甚至隨著體系中合金涂層成分?jǐn)?shù)量的不斷增加，這種現(xiàn)象會變得更加明顯[9]。 高熵合金涂層的4 個效應(yīng):高熵效應(yīng)、扭曲晶格效應(yīng)、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)，使其表現(xiàn)出更好的力學(xué)、耐磨損、耐腐蝕性能，并且在高溫下還具有優(yōu)異的組織穩(wěn)定性[10]。

1 高熵合金涂層的分類

1.1 傳統(tǒng)高熵合金涂層體系

傳統(tǒng)合金以單一元素為主元，如在鋼、鈦合金、鋁合金和鎂合金中，金屬元素Al， Co， Cr， Fe， Ni， Cu 添加的比例較高。 另外，在合金的主元素中添加少量微量元素可以獲得性能更加優(yōu)異的新型合金。 傳統(tǒng)高熵合金涂層的相結(jié)構(gòu)主要包括面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)相、體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)相、密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)相和有序體心立方結(jié)構(gòu)(B2)等。 傳統(tǒng)合金組分設(shè)計(jì)方法的局限性在于只允許對給定材料組分的一小部分進(jìn)行改進(jìn)，這大大限制了新型材料的組分開發(fā)及性能改良[11]。Ma 等[12]系統(tǒng)地研究了冷卻速率對Al0.3CoCrFeNi 高熵合金涂層性能的影響，通過調(diào)整合金涂層的制備方法和合金的尺寸，分別在冷卻速率為2.5 K/s、40.0 K/s 和103.0 K/s 下進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，在這3 種冷卻速率下合金涂層的晶體結(jié)構(gòu)都是單相的并且均為面心立方結(jié)構(gòu)。 Dolique 等[13]使用直流磁控濺射法在硅(100)襯底上沉積高熵合金涂層，通過調(diào)節(jié)施加到磁控管靶的功率比，可以在標(biāo)稱值附近改變化學(xué)成分，試驗(yàn)結(jié)果表明，高熵合金涂層的沉積速率與磁控濺射的功率比有直接關(guān)系。 Ma 等[14]利用磁控濺射技術(shù)，用合金涂層靶制備了面心立方結(jié)構(gòu)的CoCrFeNiCu (Al-0)和體心立方結(jié)構(gòu)的CoCrFeNiCuAl2.5(Al-2.5)材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，面心立方結(jié)構(gòu)的高熵合金涂層抗蠕變性能比體心立方結(jié)構(gòu)的合金涂層的更好。 Tsai 等[15]設(shè)計(jì)并研究了(Al1.5CrNb0.5Si0.5Ti)Nx高熵氮化物涂層，在415 ℃下，他們通過直流磁控反應(yīng)濺射法，在硅基材表面沉積得到非等摩爾的(Al1.5CrNb0.5Si0.5Ti)Nx氮化物涂層，試驗(yàn)所制備的這些涂層都具有單一氯化鈉型面心立方結(jié)構(gòu)和接近化學(xué)計(jì)量比的((Al1.5CrNb0.5Si0.5Ti)Nx)50N50合金組成，同時試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)襯底電壓從0 V 變化到100 V 時，高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)由典型的柱狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿臒o特征的結(jié)構(gòu)，而晶粒尺寸從70 nm 減小到5 nm。

1.2 難熔高熵合金涂層體系

早期難熔高熵合金涂層中的主要元素是由第V 和第VI 副族的難熔金屬(Nb、Mo、Ta 和W 等)組成，這些難熔金屬均為BCC 結(jié)構(gòu)且具有較高的互溶性，其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的樹枝晶特征。 Song 等[16]將襯底溫度從25 ℃調(diào)節(jié)至700 ℃，使用磁控濺射法合成了具有各種微觀結(jié)構(gòu)的TaNbHfZr 高熵合金涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明在25 ℃下，TaNbHfZr 高熵合金涂層具有完整非晶結(jié)構(gòu)，隨著沉積溫度的升高，在500 ℃處觀察到微晶沉淀；在700 ℃處，由于原子擴(kuò)散能力顯著提高，TaNbHfZr高熵合金涂層的表面出現(xiàn)針狀的納米晶BCC 結(jié)構(gòu)，該涂層膜具有15.3 GPa 的優(yōu)異硬度，分析認(rèn)為TaNbHfZr 高熵合金涂層的強(qiáng)化機(jī)理可能是由于涂層的結(jié)構(gòu)變形引起的固溶強(qiáng)化和納米晶體微結(jié)構(gòu)中的晶界強(qiáng)化。

較高的混合熵賦予了高熵合金涂層優(yōu)異的力學(xué)性能以及較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，從而顯著提高了合金涂層的強(qiáng)度和硬度。 同時涂層中的少量有序相的析出及其他相的摻雜，對合金進(jìn)一步起到強(qiáng)化作用。 但是難熔高熵合金涂層脆性大、加工能力較差的問題嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。 對此，利用粉末冶金技術(shù)可以解決難熔高熵合金涂層成型困難的問題，粉末冶金技術(shù)的原理是將元素均勻分布，并使材料直接成型。 目前，難熔高熵合金涂層的研究和開發(fā)，主要集中于探索變形和強(qiáng)化機(jī)制、發(fā)展熱處理、熱加工工藝以及提升難熔高熵合金涂層的高溫性能等主題上，根據(jù)高熵合金涂層“雞尾酒效應(yīng)”，可以添加某些元素來改變合金的相結(jié)構(gòu)，提高合金的性能，如Huo 等[17]利用鑲嵌靶材，分別在20，200，400，600 ℃的不同襯底溫度下，制備了BCC相結(jié)構(gòu)Fe33Co30Ni16Al7M9W5高熵涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著襯底溫度的升高，F(xiàn)e33Co30Ni16Al7M9W5高熵涂層內(nèi)部的缺陷會逐漸減少，晶粒粒徑、內(nèi)應(yīng)力和粗糙度則隨之升高[18]。

1.3 復(fù)合高熵合金涂層體系

有關(guān)以陶瓷顆粒作為增強(qiáng)體制備復(fù)合高熵合金涂層的研究相對較早，如今，陶瓷-高熵合金涂層復(fù)合材料體系已經(jīng)發(fā)展成為一個熱門的研究領(lǐng)域[19]，目前研究范圍集中于SiC、Al2O3、MgO、TiB2、AlN 和B4C 等陶瓷顆粒。 這些陶瓷顆粒都能有效提高基體材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性等性能。 Wu 等[20]結(jié)合機(jī)械合金涂層化方法和放電等離子燒結(jié)法，制備出Fe15Cr8Al20Mn復(fù)合高熵合金涂層。 在制備過程中TiB2顆粒發(fā)生分解，由此在高熵合金涂層中會產(chǎn)生新相和納米晶粒微觀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)上的變化會有效提高Fe15Cr8Al20Mn復(fù)合高熵合金涂層的硬度和強(qiáng)度。 根據(jù)Hall-Patch 公式可知，硬質(zhì)顆粒產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)會限制晶粒長大，細(xì)化的晶粒促使硬度較高的BCC 相形成，促進(jìn)了高熵合金涂層硬度的提升，Peng 等[21]利用了原位合成法制備出碳化物顆粒增強(qiáng)的高熵合金涂層復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，由于晶體結(jié)構(gòu)的變化和沉淀強(qiáng)化機(jī)制，碳化物顆粒增強(qiáng)的高熵合金涂層的屈服強(qiáng)度顯著提高。 Sarkar等[22]的試驗(yàn)結(jié)果表明，由于高熵合金涂層中存在不穩(wěn)定的SiC 顆粒，這些SiC 顆粒可以分解形成更穩(wěn)定的碳化物和硅化物，這些新形成的細(xì)小沉淀物，會顯著提高合金涂層的硬度。

1.4 輕質(zhì)高熵合金涂層體系

輕質(zhì)高熵合金涂層體系的組成元素大多為輕金屬，如Al、Be、Li、Mg、Sc、Sn、Ti 和Zn 等單金屬元素[23]。它們可以減輕高熵合金涂層的質(zhì)量，但幾乎不影響高熵合金涂層性能。 常見輕質(zhì)高熵合金涂層體系主要有Al20Li20Mg10Sc20Ti30、Al20Be20Fe10Si15Ti35和AlLiMgZnSn，這些輕質(zhì)高熵合金涂層在具備高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異性能的同時，還具備密度小的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的研究潛力[24]。 Braic 等[25]采用射頻磁控濺射技術(shù)，在玻璃和磷硅(100)襯底上沉積了未摻雜氧化鋅和鋁摻雜氧化鋅涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜鋁的氧化鋅涂層相較未摻雜的對照組，質(zhì)量有明顯降低，但是性能幾乎沒有差異。

根據(jù)已報(bào)道輕質(zhì)高熵合金涂層的微觀結(jié)構(gòu)，可以將輕質(zhì)高熵合金涂層分為3 類: 一是簡單固溶體結(jié)構(gòu)；二是多相復(fù)雜結(jié)構(gòu)；三是非晶相結(jié)構(gòu)。 而且輕質(zhì)高熵合金涂層的固溶體結(jié)構(gòu)一般為FCC 或BCC( BCC 較常見)，這主要是因?yàn)楦哽睾辖鹜繉拥母哽匦?yīng)，增加了各主元間的相溶性，抑制了金屬間化合物的生成。 Parvathy 等[26]采用射頻磁控濺射法制備了高熵合金涂層，并在該涂層中摻雜了少量的ZnO 和Al 元素，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜后的高熵合金涂層，質(zhì)量顯著減輕，但是高熵合金涂層原本的優(yōu)異性能沒有顯著變化，這種輕質(zhì)的高熵合金涂層可用于航空航天器和新能源期間的保護(hù)涂層。 一般輕質(zhì)高熵合金涂層在元素選擇時，更多的是考慮Al、Mg、Ti、Li 等元素，這是由于它們的熔點(diǎn)較低(但Ti除外)。 但是由于電弧熔煉的溫度過高，甚至可能超過某些低熔點(diǎn)元素的沸點(diǎn)，因此高熵合金涂層體系中，當(dāng)各金屬元素熔點(diǎn)相差很大時會導(dǎo)致低熔點(diǎn)元素?zé)龘p，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔并造成材料成分的不穩(wěn)定。

2 高熵合金涂層的制備方法

近年來，已經(jīng)有幾種技術(shù)用于制造高質(zhì)量的高熵合金涂層，主要包括磁控濺射法、激光熔覆法、等離子噴涂法和電化學(xué)沉積法等技術(shù)[27]。 相對于高熵合金涂層塊狀材料的制備技術(shù)，例如電弧熔化技術(shù)或流延方法，高熵合金涂層和薄膜的合成方法更容易實(shí)現(xiàn)快速冷卻，即所謂的“快速淬火”效果[28]，這是因?yàn)楦哽睾辖鹜繉釉谳^低的溫度下，高熵合金內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷各種相變，而且較快的冷卻速度可以限制元素的擴(kuò)散，抑制金屬間化合物的成核和生長過程，這些條件都有利于高熵合金涂層固溶相的形成[29]。

2.1 磁控濺射法

磁控濺射法是將一定能量的高能粒子以較高速度撞擊靶材，使粒子從靶材表面發(fā)射并在基底沉積成膜的過程。 相比其他高熵合金涂層制備方法，磁控濺射法具有界面結(jié)合力強(qiáng)、厚度均勻可控和致密性能好等優(yōu)點(diǎn)；而且通過改變給定靶材的化學(xué)組成和濺射過程中的工藝參數(shù)，可以輕松控制高熵合金涂層中的各物質(zhì)化學(xué)計(jì)量參數(shù)。 此外，由于在沉積過程中摻入反應(yīng)氣體(例如N2，O2或C2H2)的便利性，易于合成高熵合金涂層的氮化物、氧化物或碳化物膜，這為探索新的高熵合金涂層提供了有效的制備方法[30]。

即使各個元素具有不同的濺射產(chǎn)率，但因?yàn)榘械谋砻娼M成，在預(yù)濺射步驟之后靶材表面的元素會達(dá)到平衡，最終沉積的薄膜也具有與原始靶合金涂層相同的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。 Liu 等[31]采用磁控濺射法制備了(FeCoNi)25(TiZrAl)75涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明可以通過改變目標(biāo)功率和給定目標(biāo)上每個元素的相對表面分?jǐn)?shù)來控制化學(xué)計(jì)量系數(shù)。 Braeckman 等[32]利用磁控濺射技術(shù)在高速鋼襯底上沉積了FeMnCoCrC 高熵合金涂層，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這些高熵合金涂層具有新穎的α-Mn晶體結(jié)構(gòu)和高度細(xì)化的柱狀晶粒，同時較高的偏壓有利于沿涂層生長方向的(332)取向晶粒以及形成具有清晰結(jié)構(gòu)的孿晶界。

可以通過選擇所需的金屬粉末，然后進(jìn)行稱重、混合、最后可以將粉末輕松制成粉末靶材，該方法的缺點(diǎn)是粉末必須很好的混合，以確保整個靶標(biāo)中的成分均勻[33]。 Zhang 等[34]在Ar 和O2的混合氣氛中，采用直流磁控濺射法制備了AlFeCoNiCuZrV 非晶涂層并獲得了光滑的無定形涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著O2流量比的增加，AlFeCoNiCuZrV 非晶涂層的厚度和粗糙度降低，其中該涂層的硬度和彈性模量的最大值分別為12 GPa和168 GPa。

2.2 激光熔覆法

目前，耐火材料主要是通過真空燒結(jié)法或粉末冶金法生產(chǎn)的，傳統(tǒng)的制造方法很難形成大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和可變組成的復(fù)合材料。 激光熔覆法是一種快速發(fā)展的表面處理方法，具有高凝固速度(103～106K/s)的優(yōu)異性能，這種類型的激光固化過程可實(shí)現(xiàn)非平衡溶質(zhì)捕獲并避免組分偏析。 激光熔覆技術(shù)可用于制造厚度約為1～5 mm 的高熵合金涂層，比磁控濺射制備的膜更厚，激光熔覆法作為一種新興的技術(shù)，它在形成耐火澆注料方面具有無可比擬的優(yōu)勢。 第一，凝固速度比其他制造方法快得多，因此在激光熔覆法中可以獲得精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)并避免許多缺陷；第二，靈活可控的工作參數(shù)，為不同的原材料提供了形成不同契合層的機(jī)會；第三，激光熔覆法可明顯降低制造成本，這是因?yàn)楦哽睾辖鹜繉颖绕渌夹g(shù)(如電弧)所需融化材料更少。 因此在各種合成方法中，激光熔覆技術(shù)無疑更具發(fā)展?jié)摿35]。

超聲振動引起的超聲空化、聲流和機(jī)械效應(yīng)，可以推動高熵合金涂層中的各種元素充分?jǐn)嚢?、擴(kuò)散和混合，顯著減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，使涂層中的應(yīng)力場均勻化。超聲波振動和預(yù)熱處理輔助工藝在提高激光熔覆高熵合金涂層質(zhì)量方面，顯示出重要的研究價值。 目前已有學(xué)者研究出許多具有BCC 晶體結(jié)構(gòu)的高熵合金涂層，如AlCoCrFeNi、AlCoCrFeNiTix和Al2CrFeNiCoCuTix。Guo 等[36]在不銹鋼表面使用激光熔覆技術(shù)制備了氮化鈦顆粒增強(qiáng)的面心立方結(jié)構(gòu)AlCoCrFeNi 復(fù)合涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明該涂層在850 ℃以下表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且AlCoCrFeNi 復(fù)合涂層的硬度和耐蝕性也有了很大提高。

2.3 等離子噴涂法

等離子體噴涂技術(shù)已被一些研究人員廣泛應(yīng)用于制造高熵合金涂層，該技術(shù)具備火焰溫度高、能量集中、粘結(jié)強(qiáng)度高、涂層的稀釋度低、沉積效率高和成本低等許多優(yōu)點(diǎn)。 Alvi 等[37]采用等離子噴涂法制備了一種CuMoTaWV 合金涂層，結(jié)果表明CuMoTaWV 合金涂層在室溫和高溫下均具有較好的耐磨性能能，并且該涂層在室溫和高溫下分別具有600 HV 和900 HV 的平均硬度。 等離子噴涂制備的高熵合金涂層，同樣具有類似于激光熔覆的微觀組織。 但由于其熱輸入量大和散熱速率低，因此使用等離子噴涂法制備的高熵合金涂層的微觀組織多以等軸晶為主。 Tian 等[38]使用等離子體噴涂技術(shù)和激光熔覆技術(shù)制備了AlCoCrCuFeNi 涂層，經(jīng)過等離子體噴涂后，AlCoCrCuFeNi 涂層的平均厚度約50 μm，然后經(jīng)過激光熔覆后，在AlCoCrCuFeNi 涂層的表面并沒有發(fā)現(xiàn)較為明顯的孔隙率，對涂層的晶體結(jié)構(gòu)分析表明，AlCoCrCuFeNi 涂層的晶體結(jié)構(gòu)主要由BCC 相和少量FCC 相組成。

2.4 電化學(xué)沉積法

目前，大多數(shù)關(guān)于高熵合金涂層的報(bào)道，都是通過電弧熔化和鑄造技術(shù)制備合金涂層的。 但是由于通過電弧熔化技術(shù)制備高熵合金涂層的尺寸有限，不能滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需求，所以人們開始致力于電化學(xué)沉積法的研究。

電化學(xué)沉積法是指在外電場作用下，電流通過電解質(zhì)溶液中正負(fù)離子的遷移，并在電極上發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)而形成鍍層的技術(shù)。 其可以在具有復(fù)雜幾何形狀的基板上沉積高熵合金涂層，并且可以在較低的溫度和能耗的情況下進(jìn)行。 此外通過改變沉積參數(shù)，電化學(xué)沉積法可以輕松地控制膜的組成、形態(tài)和厚度。 Yao 等[39]使用電化學(xué)沉積法制備了非晶態(tài)的BiFeCoNiMn 高熵合金涂層，結(jié)果表明BiFeCoNiMn 涂層的表面由緊密而均勻的三角形錐狀顆粒組成，晶體的粒徑為100～200 nm，而且涂層在退火后表現(xiàn)出硬磁特性。 然而當(dāng)元素種類較多時，各個元素之間電負(fù)性差異較大，高熵合金涂層中的元素難以精確控制。 此外由于電鍍液傳質(zhì)的影響，涂層表面容易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致涂層的綜合性能下降。 因此，電化學(xué)沉積法在高熵涂層制備領(lǐng)域中也會受到許多限制。

3 高熵合金性能的研究進(jìn)展

3.1 高熵合金的耐蝕性能

金屬器件由于處在酸堿環(huán)境中極易被腐蝕而導(dǎo)致使用壽命縮短，造成每年的維護(hù)費(fèi)用異常巨大。 為了延長器件的使用壽命和降低維修成本，對金屬器件表面進(jìn)行涂層處理是非常必要的。 高熵合金涂層具有優(yōu)異的冶金結(jié)合性能、厚度可控性和均勻的顯微組織，高熵合金涂層的開發(fā)和應(yīng)用，將為化工企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益提供技術(shù)支持，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

基于高熵合金涂層的雞尾酒效應(yīng)，可以通過添加耐腐蝕元素例如Al 元素，從而改變合金涂層的耐腐蝕機(jī)制，在合金涂層表面形成致密的氧化層涂層，對合金涂層與空氣形成隔離作用，防止合金涂層進(jìn)一步氧化從而獲得較好的耐腐蝕性能。 Zheng 等[40]使用直流磁控濺射法，成功地制備了在人工海水中具有優(yōu)異耐蝕性的高純度(＞99.9%) VAlTiCrSi 合金涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明VAlTiCrSi 涂層呈現(xiàn)出均勻的非晶相結(jié)構(gòu)，這有利于提高基底的阻隔性能，在人工海水中，VAlTiCrSi 涂層的腐蝕電流密度達(dá)到4.68×10-9A/cm2，比304 不銹鋼基底(5.44×10-8A/cm2)低1 個數(shù)量級，同時由于高熵合金涂層的結(jié)構(gòu)是無定形的，因此使得合金涂層的表面更加光滑致密。 與304 不銹鋼相比，高熵合金涂層鍍層具有較低的腐蝕電流密度、較高的腐蝕電位和較寬的鈍化區(qū)，這表明合金涂層在海水中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。

3.2 摩擦學(xué)性能

自金屬材料發(fā)展以來，由金屬腐蝕和摩擦磨損所引起的質(zhì)量損耗日益引起了研究者的廣泛關(guān)注。 許多金屬零件在極端工況下(磨損和腐蝕的交互環(huán)境中)，這就要求材料既有良好的耐磨性又具有極佳的耐腐蝕性。 多年來金屬材料設(shè)計(jì)的概念一直集中在1 種主要元素上，添加少量合金元素，這明顯限制了傳統(tǒng)金屬材料的耐腐蝕性和耐磨性。 在金屬材料表面附著耐腐蝕涂層，是提高材料性能和耐久性的有效方法。 憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，保護(hù)層可以在惡劣條件下，延長金屬材料的使用壽命。 近幾十年來，許多學(xué)者已經(jīng)開發(fā)了多種保護(hù)性高熵合金表面涂層，其為金屬制品和模具提供高硬度、低摩擦系數(shù)、對基底的良好黏附性以及抗氧化性和耐磨性[41]。 Gao 等[42]采用射頻磁控濺射法成功制備了CoCrFeNiAl0.3涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明該涂層具有超光滑的表面，并且摩擦系數(shù)和體積磨損率均處在較低的水平。

3.3 電磁學(xué)性能

高熵合金涂層具有優(yōu)良的電磁特性，Ti 元素對高熵合金涂層的磁性有著很顯著的促進(jìn)作用。 另外高熵合金涂層的結(jié)構(gòu)會發(fā)生晶格畸變，而晶格缺陷使電子的運(yùn)動速率降低、方向受限，因而高熵合金涂層比傳統(tǒng)合金涂層的電阻率要高[43]。 Kim 等[44]通過直流磁控濺射從單個靶上制備了NbMoTaW 高熵合金涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明由于嚴(yán)重的晶格畸變和納米級晶粒的存在，NbMoTaW 涂層具有12 GPa 的高硬度和168 μΩ·cm的電阻率，由于該NbMoTaW 涂層具有良好的硬度和電阻率組合，該涂層可以作為納米器件中的電阻。

3.4 力學(xué)性能

高熵合金涂層的表面非常光滑和均勻，并且高熵合金涂層的彈性模量幾乎與單晶相同，這在微制造和先進(jìn)的涂層技術(shù)中具有應(yīng)用前景。 Zhao 等[45]制備了Ti20Zr20Hf20Be20(Cu20-xNix) (x＝0，12.5%，20.0%)高熵合金涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明它們的平均硬度和模量都表現(xiàn)出顯著的加載應(yīng)變率依賴行為，這使得涂層的非晶結(jié)構(gòu)更加均勻。

4 總結(jié)以及展望

高熵合金涂層具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性等特點(diǎn)，其在材料學(xué)領(lǐng)域的研究具有很高的學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用價值，盡管目前關(guān)于高熵合金涂層的研究取得了一定的成果，但仍存在一些有待解決的科學(xué)問題。 這些問題的進(jìn)一步突破，將對高熵合金涂層研究內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展研究有很重要的意義，如:(1)對高熵合金涂層制備原理的研究仍然有限，尤其是對于高性能和特種高熵合金涂層。 (2)對高熵合金涂層的設(shè)計(jì)模型缺失，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模型是基于實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?盡管有一定的指導(dǎo)意義，但幾個關(guān)鍵方面還較為模糊，例如這些設(shè)計(jì)模型的適用范圍。 鑒于此仍需進(jìn)一步研究，尤其是針對應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的特種高熵合金涂層。

目前對高熵合金涂層改性的3 個主要方面概述如下:(1)分析物理學(xué)。 這是最基礎(chǔ)的部分，通過對高熵合金涂層的金屬元素分析，可以了解它們之間的物理和化學(xué)機(jī)制，這方面的研究可以幫助彌補(bǔ)未知故障機(jī)制的研究空白。 (2)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。 可靠性設(shè)計(jì)是高熵合金涂層的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的過程，可確保它們能夠達(dá)到所需的可靠性水平。 它旨在設(shè)計(jì)過程中預(yù)先了解并修復(fù)可靠性問題。 (3)監(jiān)控。 在制備高熵合金涂層的過程中，包括監(jiān)視環(huán)境負(fù)載(即環(huán)境溫度，濕度)和操作負(fù)載(即電壓，電流)。 對于控制部分，將人工智能(AI)算法與傳統(tǒng)的制造工藝相結(jié)合是大勢所趨，這將為未來高熵合金涂層的發(fā)展創(chuàng)新提供有力的保障。 高熵合金涂層在未來的高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛，對于高熵合金涂層的研究也將更加深入。