实现润滑与保护的集成：通过电液动力喷射和激光微包覆技术制备交替复合涂层

《Surface and Coatings Technology》：Achieving lubrication-protection integration: Fabrication of alternating composite coatings via electro-hydrodynamic jet and laser micro-cladding

本研究通过电液压动态喷射（EHJD）与激光微熔覆（LMC）结合，在硬质合金基体上制备了软硬交替Ni/Cr3C2-TaS2涂层。涂层硬度达17.49 GPa，摩擦系数最低0.19，但高速下磨损率升高至5.45×10^-6 mm3/N·m。机理包括自润滑、转移膜形成和接触面积减少，实现了润滑与基体保护的协同优化，为提高干滑动条件下机械部件寿命提供了新策略。

　　

鲍一辰|邓建新|范凌轩|王俊彦|曹胜汉

中国山东省济南市山东大学机械工程学院，教育部高效清洁机械制造重点实验室，250061

摘要

本研究通过将电液动力喷射沉积（EHJD）与激光微熔覆（LMC）技术结合，在硬质合金基底上制备了软硬交替的Ni/Cr₃C₂-TaS₂复合涂层。硬质涂层中添加的增强相表现出优异的机械性能（硬度提升至约17.49 GPa），从而提高了耐磨性。这种交替结构通过机械互锁显著增强了TaS₂软涂层的附着力。摩擦学测试表明，在不同滑动速度下，这种交替复合涂层的摩擦系数最低，约为0.19。尽管在高速下由于硬质相的磨损加剧，其磨损率增加到约5.45 × 10^?6 mm³/N·m。交替涂层的主要润滑机制包括TaS₂的自润滑作用、在counter ball上形成转移膜以及减少实际接触面积。这种复合设计成功结合了润滑和基底保护功能，为提高机械部件在干滑动条件下的使用寿命提供了有前景的策略。

引言

硬质合金因其高硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等优异性能，常用于切削工具、气缸、轴承和焊接领域[[1], [2], [3], [4], [5]]。然而，在使用过程中，硬质合金会经历高摩擦并释放大量摩擦热，从而导致更高的能耗和设备损坏[6,7]。传统的表面改性方法，如TiN基陶瓷涂层的物理气相沉积（PVD），虽然提高了耐磨性，但摩擦系数较高（>0.5），限制了能源效率[[8], [9], [10]]。层状固体润滑剂（如MoS₂, WS₂）通过层间剪切作用降低了摩擦系数（<0.2）[[11], [12], [13]]，但由于其与基底的附着力较差，在循环载荷下容易发生快速分层[14]。因此，无论是硬质还是软质的单相涂层都无法同时平衡承载能力和润滑性能，这凸显了多功能架构的必要性。

为了解决单相涂层的局限性，通常采用层状涂层来解决这些问题。传统的垂直堆叠涂层（如Ti/WS₂双层结构）通过沉积硬质底层和软质顶层来结合耐磨性和润滑性[15]。虽然这种设计可以将摩擦系数降至0.15–0.2，但软质层直接暴露在摩擦对中会导致快速失效[16,17]。此外，不同材料之间的界面结合强度较弱，在循环剪切应力下会加速失效[18,19]。在高温下，软涂层的氧化也会显著增加摩擦系数，从而抵消润滑效果[20]。近年来，软硬复合涂层不再局限于垂直堆叠，而是出现了与基底表面平行的交替复合涂层[21,22]。这种交替复合涂层将硬质相和软质相横向排列，以减轻软涂层的降解。目前的交替复合涂层主要使用氧化物陶瓷（如TiO₂, ZrO₂）作为硬质相，这需要高温烧结，并且需要考虑与基底的兼容性[21]。此外，多步骤沉积过程限制了交替复合涂层的大规模应用，并增加了生产成本[23]。

近年来，激光熔覆因其高加工效率和良好的结合强度等优点，在涂层处理和表面修复中得到广泛应用[24,25]。然而，传统激光熔覆的斑点直径较大，导致涂层分辨率较低，无法实现精细的交替结构[26]。此外，高能量输入可能会导致基底产生热裂纹，从而降低基底性能[27]。激光微熔覆（LMC）是一种新兴的激光熔覆方法，因其斑点直径小、能量输入低而主要用于微机电系统（如传感器）[28]。研究人员已经证明，可以利用激光微熔覆技术在树脂表面制备电线[28]。小斑点直径使得激光微熔覆能够在基底表面构建微米级结构，充分体现了其局部选择性加工的优势[29]。电液动力喷射沉积（EHJD）已被证明是一种有效的涂层沉积方法，具有经济性好、加工效率高和厚度可控等优点[[30], [31], [32]]。现有文献表明，使用EHJD沉积的软涂层可以获得优异的润滑性能[33]。此外，利用EHJD沉积预设的粉末层可以有效避免颗粒团聚和孔隙等缺陷[34]。因此，将LMC与EHJD结合制备软硬交替涂层，有望为复合涂层的制备提供新的途径。

在本研究中，首先在硬质合金表面采用LMC制备Ni/Cr₃C₂熔覆层作为硬质涂层，然后通过EHJD在硬质合金表面沉积TaS₂作为软质涂层，从而形成软硬交替的复合涂层。对抛光基底、硬质涂层、软质涂层以及软硬交替复合涂层的润滑性能进行了评估，并系统分析了交替复合涂层的磨损表面形态、元素分布和化学成分，以探讨其润滑机制。该方法适用于大多数金属材料，制备过程简单，为提高机械部件的润滑性能提供了新的策略。

章节摘录

软硬交替涂层的制备

选用YG8硬质合金（92 wt% WC, 8 wt% Co）作为基底，经过抛光和超声清洗以去除表面划痕和油渍。选用纳米Ni粉末（约200 nm）作为自熔化粉末，Cr₃C₂粉末（约2 μm）作为硬质相，如图1a和b所示。根据现有研究，将两种粉末按9:1的质量比球磨2小时，然后将混合粉末与乙基纤维素（EC）和无水

形态与微观结构

图2展示了通过EHJD工艺沉积的预设粉末层的表面和截面SEM图像以及截面EDS映射图。在预沉积的粉末层表面未观察到明显的缺陷，如孔隙或团聚现象。截面形态显示，通过EHJD工艺沉积的粉末层厚度均匀，约为40 μm。截面EDS映射图显示，预沉积层中的Ni粉末和Cr₃C₂

结论

本研究通过将EHJD与LMC协同结合，在硬质合金基底上制备了软硬交替涂层，并对其微观结构和机械性能进行了系统表征。在不同滑动速度下进行了干滑动摩擦测试，以量化交替涂层对基底摩擦和磨损性能的提升效果。主要结论如下：

微观结构分析证实了交替涂层的形成

作者贡献声明

鲍一辰：撰写——原始草稿、方法学设计、数据分析。邓建新：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取。范凌轩：实验研究。王俊彦：概念构思。曹胜汉：数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了山东省重点研发计划（2024CXGC010204）、国家自然科学基金（52275443）以及山东大学日照研究院重大科技创新项目（2025FWRZ005）的支持。