【论文推送】石家庄铁道大学|Surf. Interfaces:Cu-Ni 过渡层 + Mo 梯度调控,铝合金表面激光熔覆高熵合金涂层的综合性能优化

🧾 Influence of Mo Content on the Corrosion and Tribological Properties of Laser-Clad FeCoCrNiMox High Entropy Alloy Coatings on 6061 Al Alloys

👤 Y. Wang；J. Yan；X. Liu；S. Wang；C. Chen；X. Jiang；R. Han；Q. Ran

🏫 石家庄铁道大学｜河南科技大学

📘 Surf. Interfaces

📅 2026，Online available

🔗 https://doi.org/10.1016/j.surfin.2026.109365

🌊 研究背景

🛩️ 铝合金以其低密度、高比强度的优势广泛应用于航空航天、汽车与海洋工程领域。

⚠️ 但硬度低、耐磨性差、热稳定性不足的固有缺陷，使其在复杂服役环境下的应用受到严重制约。

🧩 在铝基底上制备高熵合金（HEA）涂层，是突破这一瓶颈的有效路径。

🔬 FeCoCrNi 系高熵合金因结构稳定性与成形性优秀而被广泛关注。其中，Mo 作为高熔点强化元素，可通过固溶强化与析出强化协同作用，显著提升合金的硬度与耐蚀性。

📌 然而，将 FeCoCrNiMo 涂层直接沉积到 6061 铝合金上面临严峻挑战：铝的大量稀释极易诱发脆性金属间化合物和热裂纹。

🏗️ 本文针对这一难题，引入 Cu-15 wt.% Ni 过渡层作为成分与热膨胀梯度缓冲，系统研究了 Mo 含量（x = 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9）对 FeCoCrNiMox 涂层显微组织、腐蚀性能和摩擦学行为的影响规律。

Cu-Ni 过渡层截面金相图

🧪 实验设计

🔩 基体为 6061 铝合金（150 mm × 100 mm × 10 mm），激光熔覆采用梯度结构策略：先在基材上沉积 Cu-15 wt.% Ni 过渡层，再制备 FeCoCrNiMox HEA 涂层（粒径 45–105 μm，纯度 ≥ 99.9%）。

⚙️ 过渡层激光功率 1500 W，HEA 涂层 1200 W，扫描速度均为 10 mm/s，搭接率 50%。

🔬 表征与测试方案

组织与相分析采用 Bruker D8 ADVANCE XRD（Cu-Kα，2θ = 20°–100°）和 Hitachi SU8010 场发射扫描电镜（SEM-EDS）；显微硬度测试载荷 20 N，保压 15 s；摩擦磨损测试为线性往复运动（对磨球 GCr15，直径 5 mm，HRC 65；载荷 20 N，速度 0.1 m/s，时长 30 min）。

🔭 磨痕三维形貌由 Rtec Instruments 白光干涉三维轮廓仪完成表征，提供磨损体积与截面深度的定量依据。

⚗️ 电化学测试在 3.5 wt.% NaCl 溶液中进行，测试内容包括极化曲线与 EIS，采用三电极体系（工作电极/饱和甘汞参比/Pt 片对电极）。

🧮 相图与凝固路径通过 Thermo-Calc 软件（TCFE12 数据库）计算。

📊 主要结果

1️⃣ Mo 含量驱动相结构从单一 FCC 向 FCC+σ 相演变

🧱 在 x ≤ 0.3 时，涂层为单一 FCC 固溶体，晶粒粗大均匀，无明显析出相。

⚡ x ≥ 0.5 时，σ 相开始在晶界析出；随 Mo 含量增加，σ 相持续粗化，至 x = 0.9 时已形成连续网络状分布。

📐 XRD 数据显示，FCC 相晶格常数从 Mo0.1 的 3.581 Å 单调增大至 Mo0.9 的 3.641 Å，证实 Mo 大原子（1.73 Å）持续引入晶格畸变，这是固溶强化发挥作用的结构基础。

XRD 图谱

2️⃣ 耐蚀性呈"先升后降"的非单调响应，Mo0.7 综合最优

🌊 在 3.5 wt.% NaCl 溶液中，随 Mo 含量增加，腐蚀电位（Ecorr）持续正移，腐蚀电流密度（Icorr）总体下降。

✅ Mo0.7 涂层表现最优：Ecorr = −0.1725 V，较基底（−1.0870 V）正移 0.9145 V；Icorr = 2.325×10⁻⁶ A/cm²，较基底降低近两个数量级；EIS 拟合电荷转移电阻 Rc = 8.04×10⁴ Ω·cm²，显著高于其他成分。

⚠️ Mo0.9 时性能明显回落：Ecorr 负移至 −0.8203 V，Icorr 反弹至 8.149×10⁻⁶ A/cm²，Rc 下降至 2.52×10⁴ Ω·cm²。

📌 Nyquist 图容抗弧半径的变化趋势与极化曲线完全吻合，共同确认 Mo0.7 形成了最稳定的被动膜。

Tafel 曲线

3️⃣ 硬度单调提升，Mo0.9 达铝基底四倍

📈 涂层显微硬度随 Mo 含量单调增大：Mo0.1 为 212.8 HV0.2，Mo0.9 达 483.4 HV0.2，提升幅度约 127%，约为 6061 铝基底的 4 倍。

🔩 强化机制涵盖：Mo 大原子固溶引起的晶格畸变强化、σ 硬质第二相的析出强化、Mo 作为高熔点元素抑制晶粒长大带来的细晶强化，以及涂层内热膨胀系数失配导致的残余应力强化——四种机制协同叠加。

4️⃣ 摩擦磨损：磨损量与摩擦系数出现"背道而驰"

🔻 摩擦系数（COF）随 Mo 增加先降后升：Mo0.1 为 0.706，Mo0.7 降至最低值 0.424，Mo0.9 小幅反弹至 0.434。

📉 磨损质量损失则单调下降：Mo0.1 达 12.7 mg，Mo0.9 降至最低 0.26 mg——两者出现明显分化。

🔬 磨痕三维形貌（Rtec Instruments 白光干涉仪）与 SEM 形貌共同揭示了这一分化背后的磨损机制转变：低 Mo 含量（x ≤ 0.3）以严重磨粒磨损与粘着磨损为主，磨痕深、材料转移明显；x = 0.5–0.7 时转变为温和氧化磨损，磨痕浅而均匀；x = 0.9 时进入脆性剥层磨损主导模式，片状脱落减少了单位时间磨屑总量，但界面失稳导致摩擦阻力上升。

各成分磨痕三维形貌对比

🧠 机理解析

核心在于 Mo 含量通过两条并行路径同时调控涂层性能：

① 被动膜化学路径（决定耐蚀性）

🛡️ 适量 Mo（x ≤ 0.7）均匀固溶于 FCC 基体，促进表面 Cr 的选择性氧化，形成以 Cr₂O₃/MoO₃ 为主的致密复合被动膜。MoO₃ 可填补 Cr₂O₃ 膜中的阴离子空位、提高膜密度，并在含 Cl⁻ 环境中优先与 Cl⁻ 结合，阻断其对 Cr₂O₃ 骨架的侵蚀。

⚠️ 当 x = 0.9 时，Mo 与 Cr 在晶界发生严重共偏析，形成连续 σ 相网络。σ 相区域难以形成连续被动膜，σ 相与 FCC 基体之间构成微电偶对，加速局部腐蚀，导致 Rc 骤降、Icorr 反弹。

② 微观结构-力学路径（决定硬度与磨损机制）

🔩 Mo 的持续加入通过晶格畸变、σ 相析出和晶粒细化三重叠加推高硬度。

🔄 在磨损机制上：x = 0.7 时，细小弥散的 σ 相提升硬度同时维持基体连续性，Cr₂O₃/MoO₃ 氧化膜作为"第三体"屏障降低金属直接接触，实现最低摩擦系数；x = 0.9 时，粗大连续的 σ 相网络在循环剪切下发生脆性剥落，脱落碎片以片状形式排出，减少了磨损量，但瞬时脱层导致接触界面失稳，反而拉高了摩擦系数。

📌 这一机制也解释了"Mo0.9 硬度最高但耐蚀最差、磨损量最少但摩擦系数偏高"这一看似矛盾的实验现象。

磨痕 SEM 形貌，Mo0.7 与 Mo0.9 对比

🧾 全文总结

🔹 Cu-15 wt.% Ni 过渡层有效缓解了 HEA 涂层与铝基底间的热物性失配，实现了无裂纹冶金结合，为 HEA 涂层在铝合金表面的稳定制备提供了关键结构支撑。

🔹 Mo 含量 x = 0.7 为综合性能最优节点：耐蚀性最强（Ecorr = −0.1725 V，Icorr = 2.325×10⁻⁶ A/cm²）、摩擦系数最低（COF = 0.424），兼具良好的硬度（372.5 HV0.2）。

🔹 Mo0.9 硬度峰值达 483.4 HV0.2，磨损质量损失最低（0.26 mg），但连续 σ 相网络破坏被动膜连续性，导致耐蚀性明显退化，磨损机制也从氧化磨损转变为脆性剥层磨损。

🔹 对铝合金表面工程而言，Mo 含量调控的核心逻辑是：在相稳定性（抑制过量 σ 相）与强化效果之间寻找最优平衡点，而非单纯追求硬度最大化。

✅ 亮点与启示

✅ 研究首次系统建立了 6061 铝合金基底上 FeCoCrNiMox 涂层的 Mo 含量—微观结构—腐蚀/摩擦学性能完整对应关系，填补了该体系在铝合金基底上的研究空白。

✅ Cu-15 wt.% Ni 过渡层的梯度缓冲设计为解决 HEA 涂层与低熔点轻金属基底兼容性难题提供了可推广的工程方案。

✅ Rtec Instruments 白光干涉三维轮廓仪承担磨痕形貌的定量表征，将磨损机制判断从定性描述升级为面向体积损失与深度分布的精量化依据，与 SEM 形貌形成完整证据链。

✅ Mo0.7 与 Mo0.9 性能的"分叉点"揭示了一个普适规律：σ 相的分散弥散与连续网络之间存在一个性能临界阈值，跨越该阈值后腐蚀与摩擦行为同步劣化。

✅ 对海洋工程、航空轻量化结构件的防护涂层选材与工艺设计，本研究提供了清晰的 Mo 含量优化窗口（x = 0.7）参考。

🏷️ 关键词

FeCoCrNiMox 高熵合金｜激光熔覆｜铝合金基底｜Cu-Ni 过渡层｜Mo 含量｜σ 相｜耐蚀性｜摩擦磨损｜磨损机制｜3D 磨痕形貌｜Rtec Instruments｜摩擦系数｜磨损质量损失

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