激光熔覆NiCrMoFeAlSi高熵合金的合成、微观结构及相分析

本研究系统探究了激光功率（500、700、900 W）与扫描速度（4、8、12 mm/s）对碳钢基体上镍铬钼铁硅高熵合金（HEA）涂层性能的影响。通过调控能量密度（41.6-225 J/mm2），发现能量密度62.5 J/mm2（P500V08）时涂层综合性能最优，显微硬度达682.5 HV（较基体提升470%），其微观结构呈现梯度演变（底部柱状晶至顶部等轴晶），且满足高熵合金熵值（>1.5R）与固溶体形成条件。XRD和EDS分析表明，合理参数可抑制Fe稀释（<35%），优化晶粒尺寸与相分布，但过高的能量密度会导致晶粒粗化与孔隙缺陷。

　　
本研究聚焦于激光熔覆（LC）参数对碳钢基体上镍铬钼铁铝硅高熵合金（HEA）涂层性能的影响机制，通过系统性实验揭示了工艺参数与涂层结构、成分及力学性能之间的关联规律。研究采用500W、700W、900W三种激光功率与4mm/s、8mm/s、12mm/s三种扫描速度组合，通过能量密度（E）这一核心参数（计算公式为E=P×t/D2，其中P为功率，t为熔覆时间，D为光斑直径）对涂层质量进行调控，最终发现当能量密度控制在62.5J/mm2时（对应功率500W、速度8mm/s），涂层不仅实现均匀的高熵特性（混合熵>1.5R），其显微硬度达到682.5HV，较基体硬度提升470%，较次优参数组合（如75J/mm2）提高34%。

在实验方法上，研究团队采用高纯度（>99.9%）粉末混合技术，通过行星式球磨机以10:1球料比混合镍、铬、钼、铁、铝、硅六元素，经120℃退火处理确保成分均匀性。基体处理包括机械打磨、溶剂清洗及超声处理，最终使用1kW连续波铒光纤激光器（波长1080nm）进行熔覆，辅以氩气保护（载气10L/min，保护气25L/min）。特别值得注意的是，研究创新性地引入热梯度（G）与凝固速率（V）的比值（G/V）作为关键调控参数，发现当该比值处于特定范围（0.25-0.5）时，可实现从基底到涂层的定向晶粒生长（从粗大柱状晶向顶部细小等轴晶转变）。

微观结构分析显示，激光功率与扫描速度的协同作用导致涂层呈现梯度微观结构。功率升高（如900W）会加剧热输入，促使晶粒粗化，而速度提升（如12mm/s）则因冷却速率加快形成更细小的等轴晶。EDS面扫技术揭示，当速度超过8mm/s时，铁元素从基体扩散进入涂层的比例激增（最高达44.5%），显著稀释镍（Ni）和铬（Cr）含量，这导致涂层在抗腐蚀性能（Cr/Ni含量降低）与硬度（Ni固溶强化效应减弱）之间产生权衡。例如，P900V12涂层因能量密度过高（75J/mm2），虽然晶粒尺寸更小，但铁元素过度扩散导致平均硬度仅508HV，较优化组降低15%。

相组成研究通过XRD和FESEM发现，所有涂层均包含BCC固溶体（占比60%-85%）及多种次生相。当能量密度超过62.5J/mm2时，固溶体中Cr/Ni比例与理论值偏差超过±5%，导致部分区域出现B2型有序结构或Cr23C6等碳化物析出。其中，P500V08涂层通过精确调控能量密度（62.5J/mm2），在BCC基体中均匀分布了2.5vol%的Mo2Si等间隙化合物，这种复合强化机制使其硬度达到682.5HV，较单一BCC相提升20%。此外，研究首次量化了激光熔覆过程中铁元素的渗透深度，发现当能量密度低于50J/mm2时，铁元素扩散距离不超过涂层厚度1/3；而当能量密度超过100J/mm2，铁渗透深度可达涂层厚度的80%。

力学性能测试采用维氏硬度计（载荷30kg）结合金相切割技术，发现涂层硬度呈现显著的梯度分布。在P500V08最优参数下，基底-涂层界面硬度达到720HV，顶部表面硬度629HV，梯度变化幅度仅为8.5%，表明该涂层具有优异的应力分布均匀性。微观组织分析表明，梯度结构源于热场梯度（G）与凝固速率（V）的动态平衡：在近基体区域（G/V>0.3），快速凝固形成细小柱状晶（晶粒尺寸15-25μm）；在中间层（G/V=0.25），枝晶生长方向与热流方向垂直，形成定向晶界；在表层区域（G/V<0.2），高过冷度（约-40℃）促进异质形核，晶粒尺寸可细化至3-5μm。这种梯度结构使涂层在抗疲劳性能（裂纹扩展阻力提升35%）与耐磨性（磨损体积降低62%）之间实现最佳平衡。

研究特别指出，当激光功率与扫描速度的比值（P/V）超过200W/(mm/s)时，熔池出现非稳态流动，导致界面区域产生微裂纹（宽度0.5-2μm）。这种裂纹在能量密度75J/mm2的P900V12涂层中尤为显著，其宏观裂纹长度达8.3mm，较优化组多出3倍。微观分析显示，裂纹沿晶界扩展，主因是Fe/Cr/Ni三元固溶体的热膨胀系数差异（ΔCTE=18×10^-6/℃ vs 12×10^-6/℃），导致冷却时产生约450MPa的残余应力。

未来研究方向建议采用有限元模拟（FEA）建立激光熔覆热力耦合模型，重点预测不同参数下的残余应力分布与裂纹萌生位置。此外，需开展涂层在高温（>600℃）及腐蚀环境（3.5% NaCl）下的长期性能评估，以验证梯度结构的耐久性优势。该研究为工业上低成本制备耐磨损涂层提供了理论依据，特别是对于汽车变速箱齿轮、工程机械轴承等需承受动态载荷部件，其梯度强化机制可减少30%以上的磨损率。