采用高速氧燃料（HVOF）技术沉积的复杂成分镍基涂层机械性能的多模态评估

《Surface and Coatings Technology》：Multimodal evaluation of mechanical properties in a nickel-based coating with complex composition deposited via high-velocity oxygen fuel (HVOF) technology

采用HVOF喷涂制备了MXene/MWCNT核壳复合粉末的WC-Cr3C2-Ni涂层，发现复合涂层孔隙率从1.31%增至1.73%但H/E比值提升，其蠕变性能和塑性变形能力优于基体涂层，机理涉及MXene拉伸、MWCNT搭接及位错滑移等多重变形模式协同作用。

　　

Zihan Zhang|Zheng Wei|Jiyue Qin|Jiangbo Cheng|Sheng Hong

河海大学材料科学与工程学院，常州，213200，中国

摘要

在本研究中，制备了一种含有Ti₃C₂T_x（MXene）和多壁碳纳米管（MWCNT）的核壳结构粉末，并通过高速氧燃料（HVOF）喷涂将其沉积在基底上。MWCNT的结构完整性得到了很好的保持。随着MWCNT和MXene的加入，孔隙率从1.31%增加到1.73%，同时H/E比也得到了提高。与原始涂层相比，增强后的涂层在蠕变位移和塑性变形方面表现出更优异的性能。此外，该涂层还表现出应变率敏感性，即随着应变率的增加，塑性变形趋势增强。蠕变机制归因于多种变形模式的协同作用，包括MXene的拉伸、MWCNT的桥接以及位错和晶界滑移。

引言

如今，热喷涂技术被广泛用于在各种腐蚀、磨损和摩擦学应用中沉积陶瓷涂层[[1], [2], [3]]。然而，这些粉末在高温火焰流中容易发生脱碳和分解，这限制了陶瓷涂层的实际应用[4,5]。与其他热喷涂技术相比，HVOF喷涂能够使颗粒以更高的速度撞击基底表面，从而减少氧化[6,7]。通过这种方法沉积的涂层通常具有较低的孔隙率和较高的致密度[8]。先前的研究表明，通过HVOF喷涂沉积的碳化物基涂层具有优异的耐腐蚀性[9,10]。

传统上，WC作为涂层的硬质基体，与金属粘结相结合。由于陶瓷和金属之间的热膨胀系数不匹配，会产生残余应力，导致两相之间的界面结合强度较弱[11,12]。为了解决这一问题，需要开发合适的陶瓷粉末结构来克服这些限制。在现有的研究中，WC-Cr₃C₂-Ni涂层特别值得关注，因为它含有碳化物相Cr₃C₂，这种碳化物不仅起到抗氧化保护作用[13]，还能细化WC晶粒[14]。此外，金属粘结相Ni提高了WC的润湿性，从而增强了涂层与基底之间的结合强度[15]。总体而言，WC-Cr₃C₂-Ni涂层比单相涂层具有更高的硬度以及更好的高温耐腐蚀性和抗氧化性，这得益于两相的协同效应[[16], [17], [18]]。

除了修改粉末结构外，通过引入适当的增强相也可以提高涂层性能。近年来，典型的碳纳米材料（如一维管状碳纳米管（CNTs）和二维层状MXene）因其独特的性质而成为理想的基体增强材料[[19], [20], [21], [22]]。例如，Thakur等人[23]报告称，通过HVOF喷涂制备的WC-10Co-4Cr涂层由于含有MWCNT而表现出抑制脆性断裂的现象。Cheng等人[24]还研究了将MXene引入NiCu合金复合涂层中的效果，发现这种增强机制源于MXene的物理屏障效应。因此，将不同尺寸的碳纳米材料整合到WC-Cr₃C₂-Ni涂层中的设计引起了我们的兴趣。然而，目前关于含有两种碳纳米材料的WC-Cr₃C₂-Ni涂层的研究还很少。预计MWCNT@MXene可以在界面处起到锚定作用，从而提高界面结合强度。两种增强相对微观结构和力学性能的影响机制仍有待探索。

尽管将MWCNT@MXene纳米结构层引入涂层具有很大的潜力，但目前在复合材料中CNT和MXene的分散度不足仍然是一个不容忽视的关键问题[25,26]。在我们之前的工作中，通过聚乙烯醇（PVA）表面预处理和电沉积法制备了WC-20Cr₃C₂-7Ni/MWCNT复合粉末，结果表明MWCNT均匀地涂覆在粉末表面[27]。此外，电沉积可以增强界面结合强度。与镍相比，电沉积铜既不会与CNTs发生反应，也不会影响其结构完整性[28]。

由于陶瓷涂层的固有脆性，对其塑性行为进行表征仍然具有挑战性。虽然脆性材料通常定义为低延展性，但这并不意味着它们在微小尺度下容易断裂。在某些情况下，它们可能会表现出塑性变形[29,30]。传统的大规模测试方法不适用于这些样品，因为实验过程中可能会引发裂纹。相比之下，纳米压痕技术因其能够精确测量载荷和位移而成为表征涂层蠕变行为的优秀方法[31]。

在本文中，以WC-Cr₃C₂-Ni（WCN）陶瓷粉末为基体，通过表面改性、原位生成和电沉积法制备了具有核壳结构的WC-Cr₃C₂-Ni/MWCNT/MXene/Cu（WCN-CMC）复合粉末。然后，通过HVOF喷涂将WCN-CMC和WCN涂层沉积在基底上。应用纳米压痕技术测试了蠕变行为，并进行了系统研究，以分析MWCNT@MXene对复合涂层微观结构和力学性能的影响。

材料

球形WCN粉末的直径为15–45微米，由中国崇义张源钨业有限公司提供。羧基功能化的MWCNTs长度范围为10至30微米，直径范围为10至30纳米，由中国北京博宇高科新材料技术有限公司提供。Ti₃AlC₂ MXene粉末的前体由中国北京连利创新科技有限公司提供（纯度为98%）。氟化锂（LiF）购自Aladdin Reagent有限公司。

复合涂层的微观结构和分解机制

粉末和涂层的XRD图谱见图4(a)。两种粉末样品的主要成分均为WC。与原始粉末不同，两种涂层的XRD图谱中均未观察到Ni相的衍射峰，因为Ni在喷涂过程中被完全消耗[33]。此外，(W,Cr)₂C相的弱峰表明WC和Cr₃C₂相发生了反应，形成了(W,Cr)₂C[34]。Ti和Cu的特征峰未出现

结论

在本研究中，MWCNT和MXene成功均匀地涂覆在WC-Cr?C?-Ni粉末上，形成了核壳结构的复合粉末。这种结构设计有效调节了HVOF喷涂WCN-CMC涂层的微观结构和力学性能，主要结论如下：

(1)

与原始WCN涂层相比，WCN-CMC涂层尽管孔隙率较高，但仍保持了较高的H/E比。TEM证实MWCNT的结构完整性得到了很好的保持

作者贡献声明

Zihan Zhang：撰写——初稿、方法学、实验研究、数据管理。Zheng Wei：撰写——审稿与编辑、实验研究、概念化。Jiyue Qin：方法学、实验研究、数据管理。Jiangbo Cheng：实验研究。Sheng Hong：撰写——审稿与编辑、监督、实验研究、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金的资助，资助编号为51979083。