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太原科技大学 | SCT | 适量Mo显著促进激光熔覆FeMnCoCr HEA涂层中HCP马氏体相形成

2026-03-28 08:40:52

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原文标题：Effect of Mo content on microstructural evolution, corrosion behavior, and friction performance of laser cladded (Fe50Mn30Co10Cr10)1−xMox coatings

标题翻译：钼含量对激光熔覆(Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀)₁₋ₓMoₓ涂层组织演变、腐蚀行为及摩擦性能的影响

通讯作者单位：太原科技大学&山西电子科技学院

期刊：Surface and Coatings Technology

DOI：10.1016/j.surfcoat.2025.132022

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章

摘

要

近年来，高熵合金（HEA）涂层因其卓越的综合性能而受到关注。其中，亚稳态双相高熵合金Fe50Mn30Co10Cr10因其具有FCC和HCP相组合，展现出一定的强度和塑性，但较高的FCC相含量和较低的Cr含量使其难以适应高强度、高磨损和耐腐蚀的应用场景。钼（Mo）作为一种关键的合金元素，可提供显著的固溶硬化、低摩擦系数和优异的耐腐蚀性。为改善Fe50Mn30Co10Cr10 HEA涂层的性能，本文研究了Mo含量对（Fe50Mn30Co10Cr10）1-xMox（x=0, 0.1, 0.2, 0.3 at.%）涂层的影响。主要研究工作包括：利用激光熔覆技术在45#钢表面制备了不同Mo含量的HEA涂层；通过OM、XRD、SEM、EBSD、TEM等手段系统分析了涂层的微观结构演化；通过显微硬度测试、摩擦磨损试验和电化学测量（在3.5% NaCl溶液中），评估了涂层的硬度、摩擦性能和腐蚀行为，并深入探讨了Mo含量对涂层性能的影响机制。

本文通讯作者为太原科技大学李岩教授，第一作者为硕士生耿佳业。课题组长期致力于激光增材制造（SLM/激光熔覆）、金属材料表面改性及特种连接等领域的研究。团队依托太原科技大学材料科学与工程学院，拥有先进的激光加工及表征平台。

原文共有图14，本文图片选自原文中图2、3、5、9、10、11、14。

图2：展示了本研究的工艺流程和制备的涂层宏观形貌。图(a)详细说明了（Fe50Mn30Co10Cr10）1-xMox涂层激光熔覆的工艺流程图，包括混合粉末的制备、基材预处理、激光熔覆以及后处理等关键步骤。图(b)展示了熔覆后涂层的宏观截面形貌，涂层厚度达到1.2毫米，结构致密均匀，与基体形成了良好的冶金结合，验证了所选工艺参数的可行性和涂层质量。

图3：展示了（Fe50Mn30Co10Cr10）1-xMox涂层的X射线衍射（XRD）图谱及其分析。图谱显示涂层中存在Fe2Mo、ε-马氏体（HCP）和γ-奥氏体（FCC）相。在Mo含量为0.1 at.%时，HCP相的衍射峰最为显著，表明适量的Mo促进了HCP相的形成。随着Mo含量继续增加（Mo0.2, Mo0.3），HCP相的衍射峰强度逐渐减弱，表明过量的Mo抑制了奥氏体向马氏体的转变。同时，Fe2Mo相的衍射峰强度随Mo含量增加而增强，特别是在Mo0.3涂层中最为明显，表明过量的Mo与Fe形成析出相，而非完全固溶于基体。此外，（111）衍射峰随Mo含量增加而向右偏移，这归因于较大原子半径的Mo导致的晶格畸变。

图5：展示了Mo0、Mo0.1和Mo0.2涂层的电子背散射衍射（EBSD）分析结果。图(a)、(c)、(e)为晶粒取向图，黑色和白色线条分别代表高角度晶界（HAGB, θ>15°）和低角度晶界（LAGB, θ:2°-15°）。图(b)、(d)、(f)为相应的两相（FCC/HCP）分布图。量化结果显示，随着Mo含量增加，HCP相的体积分数先增后减，分别为31%（Mo0）、40.9%（Mo0.1）和26.1%（Mo0.2）。这一结果再次证实了适量Mo（x≤0.1 at.%）促进HCP相转变，而过量Mo（x>0.1 at.%）则因晶粒细化（如插图所示的平均晶粒尺寸减小）为FCC相提供了更稳定的环境，从而抑制了HCP相变。

图9：展示了（Fe50Mn30Co10Cr10）1-xMox涂层的三维光学形貌图，揭示了摩擦测试后的磨损形貌。所有涂层的磨痕都呈近似椭圆形。随着Mo含量增加，磨痕的深度和宽度系统性地减小。其中，Mo0.3涂层的磨痕深度和宽度最小，表现出最佳的耐磨性。这表明涂层的磨损与硬度（如图7所示）呈正相关，符合Archard定律，即较高的硬度有助于抵抗磨损。同时，Mo的加入改变了涂层的微观结构和磨损机制，进一步提升了其耐磨性能。

图10：综合展示了（Fe50Mn30Co10Cr10）1-xMox涂层在3.5% NaCl溶液中的电化学腐蚀行为。图(a)为动电位极化曲线，拟合获得的腐蚀参数（Ecorr, Icorr）显示Mo0.1涂层具有最小的自腐蚀电流密度（Icorr = 1.41 μA/cm²），表明其具有最佳的总体耐腐蚀性，且其钝化区最宽，表明其钝化膜最稳定。图(b)和(c)的Bode图与相位角图，以及图(d)的Nyquist图，均显示Mo0.1涂层具有最大的阻抗弧半径。通过使用R(Q(R(QR)))等效电路拟合EIS数据（详见表2），计算得到的总极化电阻（Rp1）也表明Mo0.1涂层（4918.03 Ω·cm²）的耐腐蚀性最优。涂层耐腐蚀性排序为：Mo0.1 > Mo0.2 > Mo0.3 > Mo0。

图11：通过扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析，揭示了Mo0.2和Mo0.3涂层中Mo元素的分布及析出相特征。在Mo0.2涂层中，Fe2Mo相大量以球形析出并富集在枝晶间（IR）区。随着Mo含量增加至Mo0.3，可观察到两种形貌的Fe2Mo析出相：一种是较大尺寸的球形和云状析出物（图d中黄色箭头和虚线框标注）；另一种是纳米尺度的Fe2Mo相（图e中TEM观察证实）。这表明过量添加的Mo在涂层中发生固溶反应，形成纳米级析出相，并从IR区向枝晶（DR）区扩散，几乎填满整个涂层区域。EDS点扫描（表3）证实了这些析出物为富Mo的Fe2Mo相。

图14：以示意图形式，阐明了不同Mo含量涂层在3.5% NaCl溶液中的腐蚀机制。对于不含Mo的涂层（Moo），由于缺乏保护性Mo氧化物且马氏体含量高，耐蚀性最差。适量添加Mo（Mo0.1）能促进形成稳定的MoO3/MoO2保护性钝化膜，同时Fe2Mo析出相含量较低，对钝化膜的破坏小，因而耐蚀性最佳。随着Mo含量进一步增加（Mo0.2, Mo0.3），涂层中Fe2Mo析出相的数量和尺寸显著增加。这些电位较高的Fe2Mo相作为阴极，与基体（FCC相）形成宏观原电池，并作为表面缺陷吸引Cl-，诱发点蚀，从而破坏了钝化膜的完整性，加速了腐蚀进程，导致耐腐蚀性下降。

本文研究表明，在激光熔覆（Fe50Mn30Co10Cr10）1-xMox高熵合金涂层中，Mo含量对涂层的微观结构、力学性能和耐腐蚀性具有显著且复杂的影响。适量添加Mo（x=0.1 at.%）可降低层错能，显著促进HCP马氏体相的形成，其体积分数可达40.9%。然而，过量的Mo（x≥0.2 at.%）会抑制马氏体相变，并导致Mo在枝晶间区富集，形成大量Fe2Mo析出相。在Mo0.3涂层中，Fe2Mo相几乎占据整个涂层表面。Fe2Mo析出相通过第二相强化和固溶强化，协同晶格畸变，使涂层的平均显微硬度随Mo含量增加而持续提升，Mo0.3涂层达到最高硬度711 HV，并表现出最低的摩擦系数（0.57）。在耐腐蚀性方面，Mo0.1涂层因能形成稳定的MoO3/MoO2保护膜且Fe2Mo析出相含量最低，表现出最佳的综合耐腐蚀性（最低Icorr，最宽钝化区）。而过量的Fe2Mo相作为阴极，会破坏钝化膜完整性，诱发点蚀，反而降低了Mo0.2和Mo0.3涂层的耐蚀性。综合考虑，Mo0.2涂层在硬度、耐磨性和耐腐蚀性之间取得了最佳平衡。

文章创新点

① 系统揭示了Mo在Fe50Mn30Co10Cr10基双相高熵合金涂层中对HCP马氏体相变的“先促进后抑制”的双重作用机制，并阐明了其与层错能、晶粒尺寸及Fe2Mo析出相竞争的关联。

② 明确了Mo含量对涂层摩擦磨损机制转变的影响：从无Mo时的粘着磨损和氧化磨损，转变为含Mo时的磨粒磨损和氧化磨损，并揭示了硬质Fe2Mo相剥落形成氧化颗粒润滑膜是降低摩擦系数的关键。

③ 深入解析了Mo提升耐腐蚀性的“双重角色”：一方面，形成保护性Mo氧化物钝化膜提升耐蚀性；另一方面，过量Mo形成的阴极性Fe2Mo析出相破坏钝化膜完整性，诱发点蚀，反而降低耐蚀性，从而明确了最佳耐蚀性对应的成分窗口（Mo0.1）。

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