WC/Cr3C2双相增强激光熔覆NiCrBSi复合涂层的微观结构与性能协同优化机制及其工程应用

针对极端环境下316L不锈钢关键部件耐磨与耐蚀性能不足的问题，研究人员通过激光熔覆技术制备了WC/Cr3C2双相增强NiCrBSi复合涂层。研究发现，双相协同作用显著提升涂层硬度（1080.5 HV0.2）和钝化性能，为海洋工程装备表面强化提供了创新解决方案。

　　

在海洋油气开采平台等极端环境中，316L不锈钢关键部件长期面临磨损与腐蚀协同作用的严峻挑战。尽管镍基自熔合金涂层（NiCrBSi）因其优异的自熔特性被广泛应用，但单一涂层体系难以满足高机械载荷与强腐蚀介质并存的苛刻工况。传统表面工程技术如微弧氧化（MAO）、等离子喷涂等存在界面结合弱、晶粒粗化等问题，而激光熔覆技术凭借其冶金结合强度高、热影响区窄等优势，成为解决这一工程难题的新突破口。

上海材料科学与工程高能束智能加工与绿色制造学科团队通过激光熔覆预置粉末法，系统研究了WC/Cr₃C₂双相增强对NiCrBSi涂层性能的协同调控机制。研究采用316L不锈钢基板，通过X射线衍射（XRD）、显微硬度测试、摩擦磨损实验和电化学分析等手段，对比分析了四种涂层体系（纯NiCrBSi、单相WC或Cr₃C₂增强、双相协同增强）的微观结构演变与性能差异。

材料与涂层制备
研究选用50 mm×50 mm×10 mm的316L不锈钢基板，经镜面抛光后采用预置粉末法进行激光熔覆。通过精确控制激光参数，制备出具有梯度结构的复合涂层，为后续性能测试提供标准化样本。

相组成分析
XRD结果表明，所有涂层均以γ-(Fe,Ni)固溶体为主相。双相增强涂层C中检测到M₂₃C₆、W₂C等碳化物特征峰，证实WC/Cr₃C₂的协同作用促进了新型硬质相的形成。

微观结构特征
熔覆层A呈现典型的鱼骨状柱状晶结构；添加Cr₃C₂的涂层B在根部形成致密胞晶带；双相增强的涂层C展现出独特的三层结构：界面处的蜂窝状/柱状晶、内部枝晶区以及均匀分布的WC球形颗粒与Cr₃C₂多面体颗粒。这种特殊的微观结构设计有效阻碍了裂纹扩展路径。

性能表征
双相增强涂层C表现出最优的综合性能：显微硬度达1080.5 HV_0.2，磨损质量损失最低。电化学测试显示其腐蚀电位正移、电流密度降低，这归因于Cr元素促进的致密钝化膜与WC颗粒的物理屏障效应。

该研究创新性地揭示了双相增强的协同作用机制：WC颗粒通过钉扎效应抑制表层塑性变形，而Cr₃C₂分解产生的铬元素既促进次生碳化物析出又改善钝化膜稳定性。这种"物理-化学"双重防护策略为开发新一代耐磨耐蚀涂层提供了理论依据，相关成果发表于《Materials Today Communications》。研究获得中国博士后科学基金（2021M691341）等项目的支持，为海洋装备关键部件的延寿设计提供了切实可行的技术路线。