超声振动辅助激光熔覆原位NbC增强In625涂层的力学性能与高温抗氧化性研究

为解决激光熔覆In625涂层中陶瓷增强相分布不均及高温性能不足的问题，研究人员采用超声振动辅助技术（UV-LC）开展原位NbC增强研究。结果表明，330 W超声功率下涂层显微硬度提升20.2 HV，磨损量降低22.8%，800°C氧化60小时后氧化增重仅2.67 mg/cm2，显著优于未处理组。该研究为高温服役涂层性能优化提供了新思路。

　　

在航空航天和能源领域，高温部件的表面防护一直是重大挑战。传统激光熔覆（Laser Cladding, LC）技术虽能制备高性能涂层，但陶瓷增强相与基体的结合力不足、高温抗氧化性能有限等问题制约其应用。以镍基合金In625为代表的涂层材料虽具备优异耐腐蚀性，但硬度和耐磨性仍需提升。更棘手的是，外部添加碳化铌（NbC）等陶瓷颗粒易导致界面缺陷，而高温下氧化物层（如Cr₂O₃）的稳定性直接影响部件寿命。

针对这些瓶颈，辽宁大型装备智能设计与制造技术重点实验室的研究团队创新性地将超声振动（Ultrasonic Vibration, UV）引入激光熔覆过程，系统探究了不同超声功率（0-440 W）对原位合成NbC增强In625涂层的调控机制。研究发现，330 W超声功率可使涂层显微硬度提升至20.2 HV，磨损体积减少22.8%，并在800°C氧化实验中形成仅3.65 μm的致密氧化层（含Cr₂O₃/Nb₂O₅复合结构），性能显著优于传统工艺。这项突破性成果发表于《Surfaces and Interfaces》，为极端环境下的涂层设计提供了新范式。

研究采用多尺度表征技术联用的方法：通过X射线衍射（XRD）分析相组成，扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）观察微观结构演变，能谱仪（EDS）测定元素分布，并结合显微硬度测试、球-盘磨损实验及60小时等温氧化实验综合评价性能。

XRD分析
所有涂层均检测到面心立方（FCC）结构的In625基体和NbC相。超声振动未改变物相种类，但通过促进Nb与C的反应动力学，使NbC衍射峰强度提高12.7%（330 W组），证实其增强原位合成效应。

微观结构演变
超声振动引发空化效应和声流作用，使NbC颗粒平均尺寸从3.2 μm（0 W）细化至1.8 μm（330 W），分布均匀性提升41%。EBSD显示晶粒取向随机化，柱状晶向等轴晶转变，抑制了元素偏析。

力学性能
330 W组显微硬度达562.4 HV_0.2，磨损机制从粘着磨损转变为疲劳磨损，摩擦系数降低0.15。过量超声功率（440 W）反而因热输入过高导致性能下降。

高温氧化行为
氧化动力学曲线显示330 W组的抛物线速率常数最低（0.023 mg²·cm^-4·h^-1）。截面分析发现连续Cr₂O₃层与分散的Nb₂O₅协同阻碍氧扩散，而NiCr₂O₄尖晶石结构提升了界面结合力。

这项研究首次阐明超声振动功率与涂层性能的非线性关系，确立330 W为最优参数。其科学价值在于：1）通过物理场辅助调控原位反应路径，解决陶瓷/金属界面兼容性问题；2）创制出兼具高硬度和优异抗氧化性的NbC/In625复合涂层；3）为航空发动机叶片、核电阀门等关键部件延寿提供工艺储备。未来工作可探索超声参数与激光能量的多场耦合模型，进一步推动表面工程向智能化方向发展。