真空熔覆氧化石墨烯-Ni/WC复合熔覆层的多尺度结构调控与摩擦腐蚀协同优化机制

为解决传统金属基复合材料(MMCs)熔覆层存在的断裂韧性不足、润滑缺失导致的磨损加剧问题，兰州理工大学团队通过真空熔覆技术制备了GO-Ni/WC复合熔覆层。研究发现0.6 wt.% GO添加使晶粒尺寸细化至18.8 nm，弹性模量提升至56.3 GPa，摩擦系数(0.587)和腐蚀电流密度(3.537×10-7 A/cm2)显著降低，揭示了GO"碳化物调控-孔隙约束"的双路径协同机制，为极端工况下耐磨防腐涂层设计提供新策略。

　　

在航空航天、石油化工等极端工况下，金属部件表面常因磨损和腐蚀导致早期失效。传统Ni/WC金属基复合材料(MMC)熔覆层虽能提升表面硬度，但存在两大瓶颈：脆性碳化物界面易引发裂纹扩展，缺乏固体润滑导致干摩擦条件下磨损率居高不下。氧化石墨烯(GO)因其独特的层间剪切特性和阻隔性能被视为理想增强体，然而其与金属基体的界面调控机制尚不明确，且高温加工过程中GO的分散稳定性与热分解行为严重制约性能优化。

兰州理工大学研究人员采用真空熔覆技术，在45钢基体上制备了GO含量梯度变化(0-0.8 wt.%)的Ni/WC复合熔覆层。通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)揭示了γ-Ni/WC/Cr₇C₃多相协同的微观结构特征，结合三点弯曲试验、摩擦磨损测试和电化学分析，系统阐明了GO含量对熔覆层力学性能与使役行为的影响规律。该研究成果发表于《Materials Chemistry and Physics》。

研究采用真空熔覆技术实现材料制备，通过XRD进行物相鉴定，SEM观察微观形貌，纳米压痕仪测量力学性能，球-盘摩擦试验机评估耐磨性，电化学工作站测试腐蚀行为。45钢基体经精密加工后，与不同GO含量的Ni基合金粉末在10^-3 Pa真空环境下进行熔覆处理。

材料制备
选用45钢作为基体材料，通过机械抛光和乙醇超声清洗确保表面洁净度。采用50-100 μm的球形Ni基合金粉末与GO进行机械混合，GO含量梯度设置为0、0.2、0.4、0.6、0.8 wt.%，分别标记为S0-S4样品。

物相组成与微观形貌
XRD分析显示熔覆层主要包含γ-Ni、WC、Cr₇C₃/Cr₂₃C₆碳化物及Ni基固溶体。GO的引入促使WC部分分解为W₂C和游离碳，后者与GO协同形成润滑相。SEM观察到0.6 wt.% GO样品(S3)晶粒尺寸最小(18.8 nm)，较未添加GO样品降低24.8%，但GO含量超过0.6 wt.%时因团聚效应导致孔隙率线性上升至0.4048%。

弯曲断裂行为
三点弯曲试验表明，0.6 wt.% GO使弹性模量达到峰值56.3 GPa，归因于GO诱导的晶界强化和Cr碳化物弥散分布。但临界断裂应力呈现非单调变化，S3样品虽具有最优刚度，其断裂应力仍比S0降低12.7%，说明孔隙缺陷对断裂行为的负面影响超过晶粒细化的积极作用。

摩擦磨损性能
摩擦学测试显示S3样品表现最佳：摩擦系数(0.587)和磨损率(0.401×10^-6 mg/(N·mm))均为最低。机理分析表明GO热分解产生的石墨润滑膜与Cr碳化物硬质相形成"软-硬"协同抗磨体系，而过量GO(S4)因孔隙增多导致磨粒嵌入加速磨损。

腐蚀防护性能
电化学测试证实S3具有最优耐蚀性，腐蚀电流密度(3.537×10^-7 A/cm²)较S0降低一个数量级。GO通过填充晶界阻碍Cl^-渗透，但0.8 wt.% GO样品因连通孔隙形成腐蚀通道，反而加速阳极溶解过程。

该研究创新性地提出GO"碳化物调控-孔隙约束"双路径作用机制：适度GO(0.6 wt.%)通过调控Cr₇C₃/Cr₂₃C₆碳化物析出行为增强基体强度，同时其二维片层结构有效阻隔腐蚀介质渗透；而过量GO则因团聚诱发孔隙连通，反而削弱性能优势。这一发现为设计新一代耐磨-防腐一体化涂层提供了理论依据，特别适用于海洋工程装备等同时面临机械磨损和盐雾腐蚀的苛刻工况。真空熔覆工艺的采用避免了激光加工导致的GO热分解问题，为碳纳米材料在金属基复合材料中的精准调控开辟了新途径。