激光定向能量沉积制备高性能IN718复合涂层的多组分陶瓷协同强化机制研究

为解决IN718涂层在极端服役环境下机械性能不足的问题，研究人员通过激光定向能量沉积（LDED）技术引入多组分陶瓷（MC）强化相，系统研究了复合涂层的微观结构与性能。结果表明，MC的添加通过固溶强化（贡献59.52 HV）、第二相强化（10.95 HV）和细晶强化的协同作用，使涂层显微硬度提升1.34倍，磨损体积降低54.39%，但陶瓷相导电性导致腐蚀行为由均匀腐蚀转向点蚀。该研究为高性能复合涂层的设计提供了新思路。

　　

在航空航天、海洋工程等领域，高温高压、强腐蚀等极端环境对关键部件表面涂层的性能提出了严苛要求。镍基高温合金IN718因其优异的力学性能和焊接性成为首选涂层材料，但传统单一陶瓷强化（如WC、TiC）已难以满足日益增长的性能需求。如何通过创新材料设计突破涂层性能瓶颈，成为当前表面工程领域的研究热点。

针对这一挑战，国内某高校的研究团队（根据CRediT署名，通讯作者Guodong Zhang来自国内机构）在《Surface and Coatings Technology》发表研究，创新性地采用激光定向能量沉积（Laser-Directed Energy Deposition, LDED）技术，将多组分陶瓷（MC：VC/WC/Mo₂C/TiN/NbN）引入IN718涂层体系。研究发现，高能激光与熔池马兰戈尼对流（Marangoni convection）的共同作用使MC陶瓷相分解，释放的W、V等元素固溶于γ-Ni基体实现固溶强化，而游离碳与Nb、Mo形成二次碳化物促进细晶强化。更引人注目的是，晶界处生成的"眼球状"Al₂O₃-TiN-NbC复合陶瓷颗粒展现出显著的第二相强化效应。这三种机制的协同作用使复合涂层显微硬度提升至纯IN718涂层的1.34倍，磨损体积减少54.39%。

研究主要采用以下技术方法：以Q235钢板为基底，通过LDED技术制备IN718/MC梯度涂层；结合SEM/EDS分析界面元素扩散行为；通过XRD和显微组织观察解析相组成；采用显微硬度仪和摩擦磨损试验机评估力学性能；通过电化学测试研究腐蚀行为演变。

元素扩散与界面特性
LDED工艺的高热输入导致熔池元素快速扩散，所有样品均形成窄过渡层。随着MC含量增加，Fe、Ni等元素扩散距离从5μm（0%MC）延长至15μm（12%MC），界面结合强度显著提升。

强化机制解析
定量分析表明：固溶强化贡献59.52 HV硬度增量（占比71.4%），主要来自W、V在γ-Ni中的固溶；第二相强化贡献10.95 HV（13.1%），源于晶界复合陶瓷颗粒；细晶强化通过Hall-Petch效应实现。这种多尺度协同强化模式突破了传统单一强化机制的局限。

腐蚀行为转变
电化学测试揭示MC添加量超过8%时，涂层腐蚀机制从均匀腐蚀转变为点蚀。这是由于高导电性陶瓷组分（如TiN）与基体形成微电偶，加速局部腐蚀进程。这一发现为涂层在腐蚀环境中的应用提供了重要边界条件。

该研究不仅证实多组分陶瓷协同强化可显著提升IN718涂层机械性能，还首次系统量化了各强化机制的贡献度。提出的"固溶-第二相-细晶"多级强化模型，为复杂组分涂层设计提供了理论依据。尽管MC添加会改变腐蚀行为，但通过组分调控（如控制MC含量在8%以内）可实现力学与耐蚀性能的平衡。这些成果对开发新一代高性能复合涂层具有重要指导意义，尤其为航空发动机叶片、海洋平台等关键部件的表面强化提供了创新解决方案。