高熵合金膜層製程技術與應用潛力探討：材料世界網

本研究藉由熱熔射(Thermal Spraying)製程，簡介幾種高熵塗層材料，包括工研院開發之無Ti元素之代號A (Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si)非等莫耳高熵合金塗層、代號B以及代號C兩種(Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si-Ti)近等莫耳高熵合金塗層。其具有高硬度、耐磨耗與抗腐蝕之兼備功能，相對應之傳統Stellite與NiCrAlY等超合金卻是難以同時達到這些規格要求。彙整高熵合金HEAs塗層之相關實驗，對於傳統市場之升級、製備成本的管控及專利壁壘之突破，在航空、核電、造船、工業燃氣輪機、鋼鐵、半導體/電子、能源領域和造紙領域之行業所占的市場比重將日益增大，均具有重要之需求及潛力開發價值。

本文將從以下大綱，介紹一些熱噴塗技術所製作之高熵合金塗層，並介紹相關之潛力應用。

‧前言

‧熱熔射法

　1. 高速火焰熔射法

　2. 電漿熔射法

　3. 冷噴塗熔射法

‧結論

【內文精選】

前言

傳統合金系統以1~2種元素形成金屬基底等組成合金，組成合金透過添加少量不同元素，通常添加10種以內包括改善組織組成、機械、增強耐化學或光電等性能之元素，而形成各類工程應用或科技用途的合金系統。在開發取代傳統合金之新合金的驅動力下，冶金專家們研發以同比例多元配比前衛的思考風潮，考慮合金配比之熱力學的觀點描述系統的熵(Entropy)值，經過統計理論計算出具有較高的混合熵(Mixing Entropy)值，並合成前所未有之新穎合金。此舉促成「高熵合金」(High-entropy Alloys; HEAs)新興材料一詞的稱呼，因顛覆傳統合金配置概念而榮登國際學術領域。高熵合金在應用潛力面上，由於其具有傳統合金無法同時兼備之高硬度又高韌性的合金等特殊性能，更是備受全球矚目的突破性科技發展。

高熵合金的製備方法有很多，當前高熵合金的研究試樣主要有：塊體、粉體、塗層、薄膜、厚膜、箔材以及複合類高熵合金等。圖二為不同形態試樣的研究製備方法之分類。當前高熵合金塗層的製備方法主要有雷射熔覆法(Laser Cladding Method)、熱噴塗法(Thermal Spraying Method)。其中熱噴塗技術是一種快速成形技術，噴塗材料到達基體表面後具有快速凝固的特點，也非常適合非晶與奈米晶結構的成形。

圖二、高熵合金製備技術

熱熔射法

圖三為目前市場上各種類型的熱噴塗技術。各類技術對應的噴塗顆粒溫度和速度如圖四。上述技術中，粉末/絲材火焰噴塗、爆炸噴塗(Detonation Gun Spray)和超音速火焰噴塗(HVOF)這三種基本技術都有燃燒(Combustion)火焰反應，可以調整火焰氧化、中性與還原燃燒反應。

1. 高速火焰熔射法

代號A (Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si)高熵合金為Al_0.3CoCrFeNi高熵合金（圖六）之非等莫耳系列高熵合金材料的延伸，在HP/HVOF高速火焰熔射方面，噴塗代號A (Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si)高熵合金塗層部分，高速火焰熔射選用JP5000熔射系統，高速火焰熔射噴塗塗層厚度約170 μm。高熵合金熔射噴塗時之狀況如圖七所示。圖八顯示代號A合金噴塗於鋁基材之金相。

圖九顯示傳統合金與HEA合金經退火處理後之硬度的比較，HEA合金擁有極佳的高硬度。表二為HP/HVOF熔射代號A (Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si)合金分別鍍於Al、SUS304與Inconel 718基板的案例，顯示其高硬度與低孔隙率，且高於SUS304、SUS316與17-4PH鋼體，也比Inconel 718 (HV419~437)、部分Hastelloy及Stellite合金高。圖十為代號A (Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si)噴塗於鋁基材與商用合金SUS304板材、SUS316退火棒材與17-4PH時效鋼之磨耗隨時間之變化而損失程度。對於標準D-2 (SKD11)鋼之磨耗損失體積為36±3 mm³；SUS304鋼則為365~369 mm³，而代號A (Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si)噴塗於鋁基材磨耗損失體積僅低至27.16~34.06 mm³，顯示此HEA合金製作成塗層仍有良好之耐磨耗性能。

圖十一顯示在3.5 wt.% NaCl水溶液室溫下，Al_xCoCrFeNi (x = 0.3, 0.5, and 0.7)均比其他傳統合金之孔蝕電位E_p (Pitting Potential)高且腐蝕電流密度Icorr低，意味著Al_xCoCrFeNi系列合金有高的耐蝕性…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。