HVOF喷涂Cr3 C2 -NiCr涂层的NiCr中间层设计：提升耐磨性与力学性能的创新研究

针对Co3W3耐热钢在高温高压工况下易磨损的问题，研究人员通过HVOF技术设计含NiCr中间层的Cr3 C2 -NiCr/NiCr双层涂层体系。结果表明，NiCr中间层使孔隙率降低66%（3.02%→1.02%），H/E值提升至0.045，磨损率下降70%，显著优化应力分布并抑制裂纹扩展，为高载荷工况下的涂层设计提供新思路。

　　

在蒸汽轮机叶片、转子等关键部件中，10Cr11Co3W3NiMoVNbNB（Co3W3）耐热钢虽具有优异的高温稳定性，但长期承受500-800°C高温、30MPa高压及摩擦磨损的复合作用，仍面临可靠性下降的严峻挑战。传统的高速氧燃料喷涂（HVOF）Cr₃
C₂
-NiCr涂层虽能提供硬度和耐磨性，但2-3%的孔隙率和应力集中易引发裂纹扩展，且在高温下Cr₃
C₂
会氧化为Cr₇
C₃
/Cr₂₃
C₆
导致性能劣化。尽管学者尝试通过添加石墨烯（GNP）或激光改性降低孔隙率，但工艺复杂且成本高昂。

为解决这一难题，四川某高温材料重点实验室的研究团队创新性地提出NiCr中间层设计策略，通过HVOF技术制备了Cr₃
C₂
-25NiCr/NiCr和Cr₃
C₂
-35NiCr/NiCr双层涂层。研究发现，该设计不仅显著提升涂层致密性，更通过应力分散机制实现磨损率降低70%的突破性进展，相关成果发表于《Materials Today Communications》。

研究采用四项关键技术：1）HVOF喷涂工艺制备单/双层涂层；2）扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）分析微观结构；3）纳米压痕测试力学性能（H/E、H³
/E²
）；4）Williamson-Hall（W-H）法计算晶格应变。所有实验均在Co3W3钢基体（57×40×6.5mm）上完成，基体经Al₂
O₃
喷砂预处理。

【Phase Analysis and Williamson-Hall Strain Calculation】
XRD显示涂层主要含Cr₃
C₂
和NiCr相，NiCr层使Cr₃
C₂
衍射峰半高宽增加21%，表明晶粒细化。W-H分析证实双层结构的微应变降低38%，有效缓解应力集中。

【Conclusions】
1）NiCr中间层使孔隙率从3.02%降至1.02%，Cr₃
C₂
-25NiCr/NiCr的H/E值达0.045；2）双层结构磨损机制以粘着磨损为主，体积磨损率降低68-70%；3）W-H分析揭示中间层通过晶界强化抑制裂纹扩展。

该研究首次系统论证了NiCr中间层在HVOF涂层中的三重作用：孔隙填充、应力缓冲和磨损抑制，为开发新一代耐高温磨损涂层提供了理论依据。特别是Cr₃
C₂
-25NiCr/NiCr在保持高硬度（H³
/E²
=0.030）的同时实现韧性提升，突破了传统金属-陶瓷涂层的性能瓶颈。Haibo Wang团队提出的梯度设计策略，相比PVD复合工艺降低成本40%，具有显著的工程应用价值。