答辩博士：Zaharraddeen Aminu Bello
指导教师：康敏 教授
论文题目：高速电弧喷涂制备AlCoCrFeNiSi/WC高熵合金复合涂层及其性能研究
答辩委员会
主席：
薛金林 教授/博导 c7娱乐app下载
委员：
郑恩来 教授/博导 c7娱乐app下载
何春霞 教授/博导 c7娱乐app下载
田宗军 教授/博导 南京航空航天大学
徐晓美 教授/博导 南京林业大学
秘书：
王兴盛 副教授 c7娱乐app下载
答辩时间：2026年5月25日14:30
答辩地点：滨江校区c7官网登录入口appB441会议室
论文简介
随着生产力的发展，各类机械装备的服役条件日趋严苛，常面临磨损、腐蚀、高温、循环热载荷以及重载等极端工况。常用钢材（如碳钢和中等强度钢）往往难以满足此类工况的使用要求，易发生加速磨损、腐蚀或表面失效。这些失效形式往往相互耦合，进一步加剧零部件的性能衰减甚至失效，而由此引发的设备维护、停机及部件更换，也会带来显著的经济损失。因此，如何在兼顾成本的前提下提升关键零部件的表面耐久性，已成为一项重要的工程课题。热喷涂、堆焊和热处理等表面工程技术为上述问题提供了有效的解决途径，此类方法能够在保持基体原有结构与性能的同时，显著提升其表面的耐磨、耐蚀及耐热性能。其中，高速电弧喷涂（HVAS）因具备涂层致密、结合强度高、制备成本低等特点，尤其适用于大型或复杂结构件的表面强化。该技术在农业机械、工业设备等对长期可靠性与全生命周期经济性有较高要求的领域展现出广阔的应用前景。
高熵合金（HEA）涂层是一种新型涂层材料，在复杂工况下提升表面性能方面前景广阔。为进一步提高其耐磨性与硬度，可通过引入硬质陶瓷颗粒构建复合涂层，将具有优异耐磨与耐腐蚀性能的涂层材料与常规金属基体相结合，使零部件在磨损及腐蚀环境中表现出更为优异的综合性能及耐久性。本研究设计的AlCoCrFeNiSi/WC复合涂层能够延长零部件的使用寿命，并有助于降低能耗与维护成本。通过将成分设计与高速电弧喷涂工艺优化相结合，成功制备出在成分与工艺参数上均得到系统优化的涂层。在此基础上，向涂层中添加不同质量分数（0、10%、20%、30%、40%）的WC颗粒，系统地研究了WC颗粒添加量以及热处理对复合涂层的微观结构、力学性能、摩擦磨损及耐腐蚀性能行为的影响。主要研究内容与结论如下：
（1）设计了AlCoCrFeNiSi/WC高熵合金复合涂层。AlCoCrFeNiSi基础涂层成分设计综合考量了各组元特性与固溶体行为的预测结果，在确保微观结构稳定性的同时，实现了力学性能与电化学性能的协同平衡。为获得WC含量为20%的AlCoCrFeNiSi/WC涂层的最优性能，采用正交试验对电弧电压、喷涂电流、喷涂距离及气压进行了系统优化。优化后的工艺参数如下：电弧电压33 V，喷涂电流200 A，喷涂距离200 mm，气压0.65MPa。在此条件下，基础涂层显微硬度为438 ± 16 HV0.1，孔隙率为1.31 ± 0.03%，拉伸结合强度为41.0 ± 2 MPa。 随后，以上述优化工艺制备的AlCoCrFeNiSi/WC涂层为基体，系统研究了不同WC颗粒含量下涂层的微观形貌、物相组成、显微硬度、结合强度、耐磨损及耐腐蚀性能。XRD分析表明，基础涂层以面心立方固溶体为主，伴随少量Al2O3和Cr3Si；添加WC颗粒后，涂层中出现体心立方相及WC、W3C、CrC、FeC3、Cr7C3等碳化物相，平均晶粒尺寸约10~27 nm。SEM观察显示，涂层结构致密，WC颗粒分布较为均匀，其中WC含量为30%的涂层孔隙率最低（0.76%）。涂层平均显微硬度基础涂层的253 HV0.1增至WC含量40%涂层的530 HV0.1；结合强度从基础涂层的27.5 MPa提升至WC含量30%涂层的43.12 MPa。WC含量40%的涂层具有最高的纳米硬度（6.00 GPa）以及佳的抗塑性变形能力。上述结果表明，WC颗粒的引入显著提升了涂层的综合性能。
（2）系统研究了AlCoCrFeNiSi/WC高熵合金复合涂层在干摩擦与湿态摩擦条件下的摩擦学行为。采用优化喷涂参数制备的复合涂层，通过一系列磨损试验探究了WC含量和不同法向载荷（4 N、8 N）对摩擦学行为的影响，以揭示WC增强相和载荷对涂层耐磨性能及其摩擦学内在机制的影响。在干摩擦条件下，基础涂层的摩擦系数为0.77，复合涂层的摩擦系数显著降低，其中WC含量40%的涂层摩擦系数最低为0.68。此外，随着WC含量的增加，复合涂层的磨损率明显降低。基础涂层的磨损率为10.6 × 10-5 mm3/(N·m)，而随着WC增强相掺杂量的增加，涂层的磨损率由WC掺杂量10%时的6.07 × 10?5 mm3/(N·m)降至WC掺杂量40%时的4.19 × 10-5 mm3/(N·m)，表明硬质颗粒增强对耐磨性能具有显著的提升。与基础涂层相比，复合涂层的耐磨防护率为42.7%~65.5%。基础涂层的磨损机制主要包括塑性变形、磨屑形成、犁沟与划痕，伴随裂纹和分层。相比之下，随着WC含量的增加，复合涂层的磨痕宽度明显减小，且未观察到裂纹产生。随着施加法向载荷的增加，复合涂层的摩擦系数最低降至0.32，磨损率由4.19 × 10-5 mm3/(N·m)降至3.34 × 10-5 mm3/(N·m)。涂层的磨损机制以磨粒磨损和黏着磨损为主，并伴随着氧化磨损发生。对比研究表明，在所有工况下，AlCoCrFeNiSi/WC高熵合金复合涂层的耐磨性能均明显优于AlCoCrFeNiSi高熵合金涂层，涂层的磨损性能与其微观结构、力学性能以及硬质WC增强相的存在密切相关。
除干摩擦条件外，本研究还在3.5 wt.% NaCl溶液中进一步研究了复合涂层在湿态摩擦条件下的摩擦学行为。复合涂层的摩擦系数相较于基础涂层最高下降了70.3%。基础涂层在溶液中表现出较高的磨损率（8.44 × 10-5 mm3/(N·m)），而复合涂层的耐磨性能显著提高：随着WC含量的增加，磨损率持续降低，在WC含量40%时降低至4.61 × 10-6 mm3/(N·m)。随着法向载荷增加，复合涂层表现出更低且更稳定的摩擦系数。基础涂层的磨损率随载荷增加而降低，而复合涂层的磨损率则先降低后略有升高。在湿态摩擦条件下，基础涂层的磨痕较宽，形貌以黏着层、犁削痕迹和微裂纹为主，而复合涂层的磨痕显著减小，点蚀程度和磨屑量均大幅度降低，且在较高载荷条件下更为明显。该条件下，复合涂层的磨损机制以磨粒磨损、黏着磨损和点蚀共同主导，WC硬质相有效抑制了裂纹扩展与材料剥落。综上，WC含量40%的涂层在腐蚀磨损环境中具有最优的摩擦学性能。
（3）系统研究了AlCoCrFeNiSi/WC高熵合金复合涂层在腐蚀环境中的电化学行为。采用优化喷涂参数制备复合涂层，在3.5 wt.% NaCl溶液中进行测试，以评估WC增强对相对涂层耐腐蚀性能的影响。结果表明，复合涂层能够显著降低自腐蚀电流密度。WC含量为30%的复合涂层表现出最佳的耐腐蚀性能，其自腐蚀电流密度最低（0.988 μA/cm2），极化电阻最高（24,836.4 Ω·cm2），而当WC含量进一步增加至40%时，耐腐蚀性能略有下降，说明WC含量对钝化膜厚度具有显著影响。其中WC含量30%的涂层钝化膜厚度达到最大值3.92 nm，这主要归因于WC颗粒的均匀分散，使得形成的保护膜更加致密和稳定。此外，XPS分析结果表明，复合涂层表面形成了一层以Cr2O3、Al2O3和WO3为主要成分的致密钝化层，该钝化层能够有效抑制氯离子渗透并减缓腐蚀过程。上述结果表明，AlCoCrFeNiSi/WC高熵合金复合涂层具有优异的耐腐蚀性能，在保持高耐磨性能的同时，可在腐蚀环境中为基体提供可靠防护。
基于上述结果，选取WC含量30%的复合涂层进一步研究其在3.5 wt.% NaCl溶液及强腐蚀介质中的长期腐蚀行为。试验结果表明，该复合涂层在长期浸泡过程中仅发生极小的质量损失。同时，在浸泡14天后涂层表现出最佳耐腐蚀性能，其电化学参数为：Icorr = 0.648 μA/cm2、Ecorr = ?0.4692 V、Rp = 198.89 kΩ·cm2，表明其表面形成了稳定且具有良好保护作用的钝化膜。随着浸泡时间的延长，钝化膜逐渐形成并完善，耐腐蚀性能提升。浸泡21天后，因钝化膜在腐蚀介质中长期暴露使涂层耐腐蚀性能略有下降。长期浸泡过程中耐腐蚀性能的变化与钝化膜的形成、破坏及再生过程密切相关。此外，还对WC含量30%的复合涂层在多种强腐蚀介质中的腐蚀行为进行了研究，包括0.1 mol/L H2SO4、H3PO4和NaOH溶液。结果表明，该复合涂层在碱性介质中表现出最低的自腐蚀电流密度，其电化学参数为Icorr = 19.66 μA/cm2、Ecorr = ?0.3739 V、Rp = 24,590.9Ω·cm2。总体而言，优化后的复合涂层在中性和碱性环境中具有更优异的耐腐蚀性能，而酸性环境则会加速钝化膜的破坏与退化。
（4）系统考察了热处理对AlCoCrFeNiSi/WC复合涂层性能的影响。对比分析了经500°C、550°C和600°C下保温2 h后复合涂层与喷涂态复合涂层的表面形貌、物相组成、显微硬度、纳米压痕行为、耐磨性能和耐腐蚀性能。除面心立方相外，复合涂层由于WC的引入，额外形成了体心立方相、WC及碳化物相等。热处理后的基础涂层生成了新的体心立方相（Ni–Cr–Fe），并在550°C时表现出最高的衍射峰强度，表明相变过程得到增强且结构趋于稳定。相比之下，复合涂层在热处理后未生成新的物相，仅表现为衍射峰强度的变化。热处理还使复合涂层的微观组织更加致密，孔隙率显著降低。同时，复合涂层的显微硬度显著提高，其中WC含量20%的复合涂层在500°C热处理后获得了最高的显微硬度（650 HV0.1）。纳米压痕结果进一步证实热处理有效提升了复合涂层的硬度和力学性能，这与均匀致密显微组织的形成密切相关。WC含量40%的复合涂层在600°C热处理后表现出最佳的耐磨性能，其磨损率为2.9 × 10-6 mm3/(N·m)，较喷涂态降低约93%。热处理同样显著改善了复合涂层的耐腐蚀性能，其中，WC含量10%的复合涂层在600°C热处理后表现出最佳的耐腐蚀性能，其Icorr低至1.98 μA/cm2，Rp最大29.13 kΩ·cm2。该提升主要归因于涂层表面形成了富含Cr、Co和Al的氧化物层以及稳定的钝化膜。
主要创新点如下：
（1）设计了一系列不同WC增强相含量的AlCoCrFeNiSi/WC高速电弧喷涂高熵合金复合涂层
该涂层具有高拉伸结合强度、低孔隙率和高显微硬度，其多相结构由FCC和BCC固溶体及碳化物相组成，共同赋予涂层优异的耐腐蚀和耐磨性能。基于试验设计方法中的正交试验方法，建立了喷涂工艺参数与涂层响应变量之间的系统关系，从而为满足农业和工业装备耐腐蚀和耐磨应用需求，开发具有特定性能的复合涂层提供了设计和制备的方法。
（2）揭示了AlCoCrFeNiSi/WC复合涂层中高熵合金基体与WC颗粒之间的协同强化机理，该机理增强了涂层的摩擦学和抗腐蚀磨损性能
WC颗粒的引入不仅提供机械强化作用，还产生钝化效应，显著提高了涂层的抗磨粒磨损和耐腐蚀性能。优化后的微观结构增强了涂层的承载能力，并通过促进滑动过程中形成致密稳定的氧化膜来降低摩擦系数，从而保护表面免受机械损伤和化学侵蚀。此外，WC颗粒的均匀分布减少了应力集中，抑制了局部腐蚀，使涂层在严苛服役条件下表现出稳定的摩擦学性能。因此，该涂层体系可为海洋、矿山、高温及农业环境中的工程部件提供持久的表面防护解决方案。
（3）揭示了AlCoCrFeNiSi/WC高熵合金涂层耐腐蚀性能增强的机理，表明WC颗粒增强相促进了致密、稳定钝化膜的形成
与未增强的高熵合金基础涂层相比，WC颗粒增强机制显著提高了涂层的耐腐蚀性能和环境适应性。电化学测试及重量损失证实了WC的引入、钝化膜稳定性与优异耐腐蚀性能之间的直接关联，其中H30复合涂层表现出最优特性，验证了该增强机理的有效性。
