原位合成M(C,B)颗粒增强镍基涂层的微观结构设计与耐磨性能调控机制

针对工程机械关键部件表面磨损问题，研究人员采用激光-等离子体复合熔覆技术，通过调控Ti/Nb原子比原位合成具有核壳结构的(Ti,Nb)(C,B)增强相，揭示了增强相体积分数与分布均匀性对γ-Ni/Ni3 B相细化的协同作用机制，使涂层耐磨性显著提升，为高服役寿命机械部件表面强化提供了新策略。

　　

在工程机械领域，关键部件的表面磨损是制约设备服役寿命的主要瓶颈。传统镍基合金涂层如Ni-B-Si虽具有优异的热稳定性，但在高载荷工况下易发生断裂剥落。尽管通过外加法引入TiC、NbC等陶瓷相可提升硬度，但颗粒团聚问题导致性能不均。更棘手的是，单一陶瓷相与金属基体的界面结合强度不足，且TiC因密度差异易产生成分偏析。这些挑战促使研究者探索新型增强相设计策略——通过过渡金属元素的原位反应构建多组元碳硼化物，有望同时解决界面结合与分布均匀性问题。

山东大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地采用激光-等离子体复合熔覆技术（结合等离子体高热输入与激光高能量密度的优势），通过调控Ti/Nb原子比（10:0至0:10梯度变化），在45#钢基体上制备出系列原位合成M(C,B)（M: Ti, Nb）增强的Ni-B-Si涂层。该技术通过Thermo-Calc软件模拟相平衡，结合SEM/EBSD等表征手段，系统研究了增强相演变规律及其对耐磨性能的影响机制。

材料与制备方法
研究采用激光-等离子体复合熔覆系统，将Ni-B-Si基粉体（含B、Si降熔元素）与Ti/Nb/Ni包覆石墨粉（100-325目）按不同原子比混合。通过优化工艺参数（激光功率3.5 kW，等离子电流120 A），实现熔覆层厚度0.8-1.2 mm控制，粉末利用率达85%以上。

相图计算与微观结构
热力学模拟显示：纯Ni-B-Si体系仅生成γ-Ni/Ni₃
B；引入Ti/C后形成Ti(C,B)；当Ti/Nb=5:5时，(Ti,Nb)(C,B)相体积分数达峰值12.7%。TEM证实该相具有核壳结构——富Ti核心与富Nb外壳，纳米硬度达28.5 GPa，显著高于单一Ti(C,B)（22.3 GPa）或Nb(C,B)（25.1 GPa）。EBSD分析表明增强相可促进γ-Ni晶粒细化至5-8 μm。

耐磨性能机制
磨损实验（载荷200 N，转速200 rpm）表明：Ti/Nb=5:5涂层磨损率最低（3.2×10^-5
mm³
/N·m），较基体降低83%。其强化机制包括：(1) (Ti,Nb)(C,B)核壳结构通过位错钉扎效应阻碍塑性变形；(2) 均匀分布的Ni₃
B硬质相（HV_0.2
=1100）与γ-Ni韧性相构成"软硬交替"抗磨架构；(3) 细晶强化使涂层亚表面裂纹扩展路径迂曲化。

结论与展望
该研究开创性地揭示了多组元碳硼化物增强相的原位形成动力学规律：Ti/Nb原子比通过改变熔体过冷度调控(Ti,Nb)(C,B)的形核势垒，5:5比例可实现尺寸（1-3 μm）与分布的协同优化。激光-等离子体复合能量场的精确调控，为开发新一代梯度功能涂层提供了新思路。未来可进一步研究B元素对增强相/基体界面共格关系的调控作用，以及多尺度结构在冲击磨损工况下的失效机制。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加非文献支持内容；专业术语如γ-Ni指面心立方镍固溶体，Ni₃
B为镍硼金属间化合物）