激光粉末床熔融制备TiC增强铁素体钢复合材料的变载变温滑动磨损与磨屑演化机制

为解决传统WC-Co复合材料在高温磨损应用中存在的钴依赖性和环境毒性问题，研究人员采用激光粉末床熔融(LPBF)技术结合重扫描策略，开发了TiC增强铁素体钢基绿色复合材料。通过变载(25-75N)和变温(RT/300°C)滑动磨损实验，发现高载荷(75N)下摩擦系数(COF)降低50%至0.24-0.3，磨损率下降至少一个数量级。该研究揭示了磨屑动态演化与保护性摩擦层形成的关联机制，为设计可持续高性能耐磨材料提供了新思路。

　　

在工业工具和模具领域，传统钨钴硬质合金(WC-Co)长期占据主导地位，但其核心粘结剂钴不仅价格昂贵、存在供应链风险，更因高温氧化特性和致癌性引发环保担忧。随着全球对可持续制造的需求增长，开发无钴、高性能的耐磨材料成为当务之急。钛碳化物(TiC)因其高熔点、低密度和优异抗氧化性被视为理想替代品，但传统烧结工艺难以实现复杂结构件的一体化成型，且陶瓷与金属的物理性质差异导致界面结合不良、残余应力等问题。

针对这些挑战，一个国际研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表创新成果，通过激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)结合独特的重扫描策略，成功制备出具有分级微观结构的TiC-430L铁素体不锈钢复合材料。研究采用两步激光扫描工艺——先用低功率高速扫描预热粉末床，再用高功率低速扫描实现熔融，有效控制了熔池热梯度。通过Thermo-Calc软件模拟非平衡凝固过程，结合SEM/EDS分析揭示了快速凝固形成的双模态TiC形貌。

关键技术包括：(1) 采用机械混合TiC(2-3μm)与球形430L钢粉(10-45μm)制备复合原料；(2) 优化LPBF参数(激光功率44.2-99W，扫描速度488-844.7mm/s)；(3) 开展室温与300°C的变载(25-75N)销-盘摩擦试验；(4) 通过3D形貌仪和显微硬度计(1240±37 HV₁)表征磨损机制。

3.1 微观结构特征
快速凝固(0.007m/s)形成枝晶状TiC相与α-Fe基体的复合结构，XRD未检测到金属间化合物。元素分布图显示Ti/Fe/Cr均匀分布，无铬偏析现象，这得益于LPBF的快速冷却抑制了Cr-C反应。独特的双峰TiC形貌归因于高斯激光能量分布和马兰戈尼效应导致的局部热梯度差异。

3.4 摩擦学行为
3.4.1 摩擦曲线
在25N载荷下，室温(RT)摩擦系数(COF)高达0.58，而75N时骤降至0.25。高温(ET)测试显示更显著变化：50N时COF最低(0.25)，比25N降低58%。这种"载荷软化效应"源于磨屑压实形成的机械改性层(MML)。

3.4.2 磨损率
ET条件下磨损率普遍高于RT，但随载荷增加呈指数下降——50N时比25N降低80%。3D形貌显示ET磨损疤痕更深(最大20μm)，氧化含量达27wt.%，证实氧化磨损的主导地位。

3.4.3 磨损机制
低载(25N)以磨粒磨损为主，松散磨屑引发第三体效应；高载(50-75N)转为疲劳主导的层离机制。ET条件下，热软化促进磨屑烧结形成连续MML，但75N时氧化层疲劳剥落导致摩擦回升。

3.4.4 磨屑演化
磨屑行为呈现双相性：25N时尖锐碎片加剧磨损，50N时纳米级氧化物颗粒通过"自愈合"机制形成保护层。元素图谱显示氧含量随载荷从14wt.%增至27wt.%，揭示动态氧化与磨损的耦合作用。

这项研究突破了陶瓷-金属复合材料在增材制造中的关键技术瓶颈，通过创新的重扫描LPBF工艺实现了97.8%高致密度。其核心价值在于：(1) 阐明载荷/温度对磨屑行为的三阶段调控规律——生成→压实→失效；(2) 发现50N/300°C为最优工况组合，COF降低58%；(3) 提出"氧化-疲劳"竞争机制模型，为设计下一代无钴工具材料提供理论依据。该成果不仅推动绿色制造发展，更为航空航天、汽车模具等极端工况应用开辟了新路径。