《J. Non-Cryst. Solids》：基于超声波雾化制粉的高熵非晶合金及其APS涂层的制备与耐磨腐蚀性能研究

引言

随着材料科学的不断发展，高性能、高耐蚀性和高耐磨性合金的需求日益增长。尤其是在航空航天、能源、电子等行业，对涂层材料的性能要求不断提高。传统的粉末冶金、机械粉碎等制备方法逐渐难以满足复杂材料的精细控制和功能化需求。在此背景下，超声波雾化制粉技术（Ultrasonic Atomization）作为一种绿色、高效的粉末制备新技术，逐渐成为高端材料研发的热点。

本文将深入探讨超声波雾化制粉技术的原理、特点、优势和在高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）等新型材料中的应用，特别是在高-熵非晶合金粉末和涂层制备中的创新突破。

正文

超声波雾化制粉技术

超声波雾化制粉技术利用超声波振动的高频能量，将液态金属或合金材料转变成细小的液滴或雾状微粒，然后通过控制冷却或固化过程，生成粒径均匀、形貌可控的粉末。

1.超声波雾化过程：

超声波激发液体：超声波换能器（压电陶瓷等）产生高频振动，将能量传递到液体表面。
形成亚稳液滴：振动作用产生微米级的液滴，形成细腻的雾状粒子云。
冷却固化：液滴在离开雾化源后迅速冷却，形成固态粉末。

这一过程的关键在于超声波的高频振动（通常在20kHz至200kHz范围内），以及波动能量的集中传递，确保形成均匀、细小的液滴。

2. 特点与技术参数：

粒径可控：通过调节超声频率、振幅、液体表面张力等参数，粒径可以从几十纳米到几微米范围调节。
成粉均匀：液滴大小均一，极大程度上改善粉末的粒径分布。
高效率：制备速度快，产量高，适合批量生产。
环保节能：无需化学添加剂，减少污染，能耗较低。

超声波雾化制粉的优势

1、粒径均匀、尺寸可调

超声波制粉能获得粒径高度均一的粉末，从而在后续的材料加工、涂层制备中实现高性能的性能均一性。

2、高纯度和无污染

无须添加化学助剂，减少杂质污染，保证粉末的高纯度，有利于合金性能的提升。

3、微米及纳米级微粒控制

特别适用于超细粉末的制备，满足高端材料对微观结构的控制需求。

4、复杂合金的精细制备

多元素高熵合金具有复杂的多组成，超声波雾化可以实现多元素高效均匀混合，确保合金元素的均匀分布。

5、适应性强，应用广泛

除了金属材料，还可以用于陶瓷、复合材料等多种体系的粉末制备。

高熵合金

1、高熵合金简介

传统合金多由少数几种元素组成，元素比例偏向某个主元素。而高熵合金则打破传统，将五种或多种元素等比例或接近等比例加入，形成多元合金体系。这些元素的高浓度组成带来了更高的混合熵，稳定了其特殊的结构。

2、高熵非晶合金的结构特性

高熵非晶合金具有非晶（无序）结构，区别于晶态合金。这样的非晶态结构赋予其优异的耐蚀性、耐磨性和高强度。此外，其结构还具有较好的抗微裂纹扩展性能。

制备工艺与结构特性

1. 原材料选择与制备方法

该研究采用了（ZrTiHfNi）85Nb15的合金比例，通过快速冷却技术制备成高熵非晶合金带材。具体工艺包括：

熔炼合金：将元素按照比例充分混合并熔炼。
快速冷却：采用电弧减薄或喷射成型等快速冷却手段，确保形成非晶结构。
粉末制备：利用超声波金属雾化制粉技术，获得粒径在20~80微米范围的球形粉末。
等离子喷涂（APS）：利用等离子喷涂技术将粉末制备成涂层，厚度大约200微米。

2. 结构分析

微观结构：采用扫描电子显微镜（SEM）观察，涂层含有非晶与少量纳米晶相的复合结构。
相组成：X射线衍射（XRD）分析证实，涂层主要为非晶态，并伴有一些FCC和BCC晶相，以及微量氧化物。
元素分布：能谱分析表明，各元素在涂层中分布均匀，粒子具有良好的球形和高的骨架度。

性能研究

01机械性能

硬度：涂层的平均硬度达到了10.5 GPa，远高于传统合金和普通涂层，表现出优异的耐磨性能。
弹性模量：纳米压印测试表明，涂层具有较高的弹性模量，能有效减缓裂纹的扩展。

02耐磨性

室温耐磨：在室温下测试，涂层表现出明显的抗疲劳磨损能力，主要损伤形式为疲劳磨损与轻微氧化。
高温耐磨：在400°C高温条件下，微观变形显著增加，氧化反应加强，导致软化和粘着磨损增多。此时，氧化膜的断裂和剥离成为主要失效机制。

03抗腐蚀性能

腐蚀试验：在3.5 wt.% NaCl溶液中，电化学测试显示涂层的腐蚀电流密度（I_pass）较基体和不锈钢显著降低，说明其抗腐蚀性能优异。
机理分析：热力学计算表明，Nb元素在形成氧化膜的过程中反应性较低，难以在初期形成保护层，但其在后续的反应中通过二次氧化不断改善抗腐蚀能力。

图文导读

图1.（ZrTiHfNi）85Nb15粉末形貌（a-b）；粒径分布曲线(c)；SEM/EDS图像为（ZrTiHfNi）85Nb15粉末的截面和点组成(d)。

图2.（ZrTiHfNi）85Nb15粉末、涂层和带的XRD图(a), (ZrTiHfNi)85Nb15粉末和带的DSC曲线(b)。

图3.涂层的宏观和截面形貌（a, c），涂层的表面形貌(b)，孔隙率统计示意图(d)。

图4.涂层截面的EDS图像。

图5.（ZrTiHfNi）85Nb15带、粉末和涂层的加载-位移纳米压痕曲线。

图6.室温(a)和400℃(b)下涂层磨损痕迹的三维形貌；涂层在室温和400◦C时的摩擦系数(C)；磨损痕迹轮廓曲线(d)。

图7.在室温和400℃下测量涂层的磨损率。

图8.在室温（a,b）和400°C （c,d）下进行磨损测试后的磨损表面形貌（右边插入的是典型的碎片EDS分析）。

图9.室温(a)和400°C (b)摩擦学过程的建模插图。

图10.（ZrTiHfNi）85Nb15带、涂层、316l和Q235钢在3.5 wt. % Nacl溶液中的极化曲线。

图11.恒电位极化曲线(a)；等效电路(b)；(c)在3.5 wt. % NaCl溶液中的Nyquist图和(d) Bode图的电化学阻抗谱。

图12.在3.5 wt. % NaCl中，涂层钝化膜（a-f）和条带（h-l）的XPS光谱。

图13.钝化膜中金属阳离子含量的堆积直方图。

图14.基于点缺陷模型的Nb5+取代Ti4+及阳离子连续扩散过程示意图

结语

高熵非晶合金作为一种新型的多元高强度、耐腐蚀材料，展现出巨大的应用潜力。利用先进的超声波雾化制粉工艺，能够制备出结构均匀、性能优异的粉末，进而制备高质量的涂层，为延长工业设备的使用寿命、降低维护成本提供了有效的技术支撑。未来，随着材料设计手段的不断丰富以及超声波雾化工艺的持续优化，高熵非晶合金有望在更多领域得到广泛应用和推广。

高熵合金代表着材料科学的未来方向，其独特的结构和多功能性能，使其在抗腐蚀与耐磨等方面具有显著优势。结合超声波雾化制粉技术的不断发展，这一新兴材料必将在工业生产中带来更多的突破与变革，开创材料应用的新纪元。