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背景简介
相较于陆上风电，海上风电设备需面临的环境条件更为严苛。海水中的微生物附着与持续性侵蚀、大气区的高湿度、强日照和高盐雾浓度，以及飞溅区受到频繁干湿交替腐蚀，共同构成了多区域腐蚀环境，对风电设备的稳定运行构成了严峻挑战，不仅可能导致发电系统功能失效，甚至引发整体结构的腐蚀破坏。此外，海上风机因长期承受风浪等持续性荷载以及地震、鱼群撞击等偶然性荷载的作用，易导致结构产生严重的疲劳损伤。因此，开展风电塔筒腐蚀疲劳性能研究对海上风电设备安全运行与推动行业发展具有重要意义。
高熵合金具有出色的机械强度、高热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性，有望代替海上风机塔筒钢上的其他防腐涂层，延长塔筒钢的使用寿命。然而，传统的高熵合金涂层制备工艺存在着易形成氧化物、孔洞、裂纹、分层等缺陷和与基材结合强度差等问题。选择性激光熔化作为增材制造的一种技术，可以有效解决以上问题，并且具有灵活可控的优势，尽管国内外学者已对成型零件的疲劳与腐蚀性能开展大量研究，但当前仍缺少关于选择性激光熔化涂层对钢材腐蚀疲劳性能的影响及作用机制等的系统研究。
成果介绍
（1）涂层钢呈现显著的晶粒尺寸梯度特征，在靠近基体界面区域形成了细密的柱状晶粒，涂层表面形成了粗柱状晶粒（见图1(a)和(b)），其表面显微硬度最大达到 260 HV，较 321 不锈钢基体 (189 HV) 提升约37.6%（图1(c)）。
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图1 FeCrCoMnNi高熵合金涂层钢截面：(a) 和(b) EBSD；(c) 腐蚀前后涂层钢随涂层厚度变化的显微硬度曲线
（2）FeCrCoMnNi 高熵合金涂层钢在中性盐雾 240 h 腐蚀后疲劳寿命下降了 18.2%-38.8%，显著低于 321 不锈钢基体 (34.4%-42.6%) （图2(a)和(b)），相较于不锈钢预腐蚀对涂层的保护作用得益于 Cr、Ni 元素的协同钝化效应及高熵合金特有的成分均匀性，证实该涂层在海洋环境防护方面具有应用潜力。但腐蚀作用仍对涂层体系产生双重负面影响：一方面，盐雾腐蚀导致涂层表面形成的点蚀坑成为了应力集中源，促使裂纹早期萌生；另一方面，预腐蚀使有效涂层厚度减少 28% （从初始 164 μm 降至 149 μm） ，导致循环加载过程中塑性应变集中由基体区域转变为涂层区域，从而使得腐蚀后试样裂纹萌生速度加快（见图2(c)-(f)）。
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图2 预腐蚀前后不锈钢和FeCrCoMnNi高熵合金涂层钢的疲劳寿命曲线：(a) 不锈钢；(b) 涂层钢：(c) 涂层钢微观组织；(d) 预腐蚀后涂层钢微观组织；(e) 疲劳后涂层钢微观组织; (f) 预腐蚀疲劳后涂层钢微观组织
（3）FeCrCoMnNi 高熵合金涂层能够使不锈钢的疲劳裂纹扩展寿命延长 21.43% （应力比为 0.1 ），其强化效应源于涂层引起的位错密度有效阻碍滑移系统的激活，从而抑制了裂纹的萌生和扩展。此外，在FeCrCoMnNi 高熵合金涂层钢试件中可以观察到更曲折的疲劳裂纹扩展路径，这是由于晶界 (GB) 对疲劳裂纹扩展具有显著的障碍作用，延缓了裂纹扩展速率（见图3(c)和(d)）。
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图3 不锈钢和涂层钢不同应力比下： (a, b) 裂纹长度与疲劳寿命的关系；(c) 不锈钢裂纹扩展路径；(d) 涂层钢裂纹扩展路径
（4）裂纹萌生阶段可检测到大量以高能量和熵为特征的声发射信号，这些信号可能与缺口尖端的塑性变形和裂纹的初始形成有关；在稳态裂纹扩展阶段，声发射参数逐渐增加；随着该阶段的结束，裂纹扩展速度加快，相关的声发射信号变得越来越活跃，表明即将过渡到破坏断裂阶段。此外，在失效断裂阶段观察到有限数量的高振幅、高能量和高熵声发射参数，这可以归因于试样在较短的加载时间下迅速破坏和断裂（见图4）。
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图4 应力比为0.1的涂层试样不同AE参数随疲劳加载时间的变化：(a) 振幅;(b) 能量;(c) 熵;(d) 计数
（5）采用疲劳裂纹扩展速率和声发射能量和计数速率用于开发预测模型，并通过贝叶斯回归方法来确定模型参数的后验概率分布。在初始阶段使用计数参数能与实际观测值更紧密地保持一致。相反，在钢材接近断裂点时使用能量参数会更准确。因此，不同类型声发射参数的组合可以提高实际测试过程中裂纹监测的精度（见图5）。
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图5 计数和能量进行疲劳裂纹扩展寿命预测：(a) 计数β0；(b) 计数β1；(c) 计数ε；(d) 能量β0；(e) 能量β1；(f) 能量ε；(g) 计数拟合；(h) 能量拟合；(i) 寿命预测
致谢
该研究工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、湖南省科技创新计划、湖南省教育科技研究厅支持。本文第一作者：李微（长沙理工大学），通讯作者：朱顺鹏（电子科技大学）、柏国伟（长沙理工大学）。
本期小编 李 微（整理）
罗凌颖（校对）
刘昊东（审核）
董乃健（发布）
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