激光熔覆WC-Ni60涂层中铝添加对微观结构演变及摩擦学性能的调控机制研究

针对激光熔覆WC复合涂层易出现裂纹、气孔及晶粒粗化等问题，研究人员通过添加不同含量Al元素调控WC-Ni60涂层的微观结构。研究发现Al能抑制WC溶解并促进其原位再合成，当Al含量为2.5 wt%时涂层表现出最优异的耐磨性（磨损率2.62×10?7 mm3 N?1 m?1 ）和硬度（1244 HV0.1 ），为高性能耐磨涂层的设计提供了新思路。

　　

【研究背景】
在工业装备关键部件表面强化领域，激光熔覆（Laser Cladding）技术因其高效、精准的特性被广泛应用于耐磨涂层的制备。然而，以碳化钨（WC）为增强相的复合涂层在高温熔覆过程中面临严峻挑战：WC颗粒的过度溶解会导致涂层中出现裂纹、气孔等缺陷，同时形成粗大的晶粒结构，严重削弱涂层的机械性能和服役寿命。如何通过成分设计抑制WC溶解、优化涂层微观结构，成为当前表面工程领域亟待突破的科学难题。

【研究设计与方法】
某高校研究团队在《Materials Characterization》发表的研究中，创新性地采用铝（Al）作为调控剂，系统研究了不同Al含量（0-2.5 wt%）对激光熔覆WC-Ni60涂层微观结构演变及摩擦学性能的影响。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）表征物相组成与形貌，结合显微硬度测试和球-盘式摩擦磨损实验评价力学性能。

【主要发现】

1. 物相组成调控：
   涂层中检测到Fe_0.64
   Ni_0.36
   固溶体、AlNi金属间化合物、未熔WC颗粒、原位再合成WC、AlN和Cr₂
   N等多相结构。Al的添加显著抑制了WC的溶解，并通过热力学调控使部分溶解的W和C重新结合形成原位WC。

2. 微观结构演变：
   随着Al含量增加，原位合成WC的粒径呈现梯度增长趋势。这是由于Al延长了熔池存在时间，为WC晶粒生长提供了更长的扩散时间。高Al含量（2.5 wt%）样品中观察到大量亚微米级WC颗粒均匀分布于基体。

3. 性能优化机制：
   最优性能出现在Al含量为2.5 wt%的涂层，其显微硬度达1244 HV_0.1
   ，磨损率低至2.62×10^?7
   mm³
   N^?1
   m^?1
   。研究发现细小的WC颗粒通过晶界强化（Boundary Strengthening）和沉淀强化（Precipitation Strengthening）双重机制提升性能：一方面纳米WC钉扎晶界阻碍位错运动，另一方面Cr₂
   N等硬质相弥散分布增强基体。

【研究意义】
该研究揭示了Al元素在激光熔覆过程中的双重作用机制：既作为WC溶解抑制剂，又充当原位合成的催化剂。建立的成分-结构-性能关系模型为设计新一代高耐磨涂层提供了理论依据，在矿山机械、航空航天等重载部件表面强化领域具有重要应用前景。特别值得注意的是，通过精确控制Al添加量实现WC颗粒尺寸的主动调控，这一策略对开发梯度功能涂层具有启示意义。