高WC含量促进连续共晶结构形成并提升WC/CeO2-Fe激光熔覆涂层的耐磨性

为解决27SiMn钢在重载采矿环境中易磨损的问题，研究人员通过激光熔覆技术制备了不同WC含量（0-25 wt%）的WC/CeO2-Fe复合涂层。研究发现，WC添加显著细化枝晶并促进原位形成W2C、M23C6等硬质碳化物，使涂层硬度提升42%（达635.1 HV0.2），磨损率降低一个数量级（3.52×10?6 mm3·N?1·m?1）。该研究为矿山机械表面强化提供了新策略。

　　

在矿山机械、轨道交通等重载领域，27SiMn钢虽具备高强度与良好韧性，但其表面在低速高负荷工况下仍面临严重磨损风险。传统电镀、堆焊等表面处理技术因结合力差、易开裂等问题难以满足需求，而激光熔覆技术凭借冶金结合强、成分可控等优势成为新突破口。然而，普通Fe基涂层的硬度和耐磨性仍不足以应对极端工况，如何通过材料设计突破性能瓶颈成为关键科学问题。

针对这一挑战，西安中欧材料技术有限公司合作团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，系统考察了WC含量（0-25 wt%）对WC/CeO₂-Fe复合涂层的影响。通过激光熔覆技术在27SiMn钢基体上制备系列涂层，结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、显微硬度计和摩擦磨损试验机等分析手段，揭示了WC促进连续共晶结构形成的机制及其对耐磨性能的强化作用。

微结构特征分析

随着WC含量增加，涂层从粗大枝晶+孤立棒状共晶（0 wt% WC）转变为细密枝晶+连续亮白色共晶网络（25 wt% WC）。WC热分解释放的W、C原子与基体中Fe、Cr反应，原位生成W₂C、M₂₃C₆和M₇C₃等碳化物，形成刚性骨架结构。值得注意的是，25 wt% WC涂层孔隙率最低，碳化物呈均匀弥散分布。

力学性能提升

WC含量与硬度呈正相关：25 wt% WC涂层的平均显微硬度达635.1 HV_0.2，较无WC涂层提升42%。摩擦学测试显示，该组磨损率仅为3.52×10^?6 mm³·N^?1·m^?1，比基准组降低一个数量级。磨损表面分析表明，高WC含量涂层主要呈现轻微磨粒磨损特征，而低WC组则出现明显疲劳剥落。

机制讨论

研究提出三重强化机制：（1）WC分解产生的碳化物构成耐磨骨架；（2）CeO₂净化熔池并细化晶界；（3）连续共晶结构优化载荷分布。特别发现当WC≥20 wt%时，熔体过冷度增大导致非平衡共晶凝固，这是获得纳米级碳化物弥散体的关键。

该研究不仅为27SiMn钢表面强化提供了WC-CeO₂协同优化的新方案，更通过揭示共晶结构连续化规律，为设计高耐磨涂层建立了理论框架。团队提出的"碳化物骨架+共晶网络"结构模型，可推广至其他陶瓷颗粒增强金属基复合材料体系。未来研究可进一步探索WC含量与涂层韧性的平衡关系，以拓展其在冲击载荷工况的应用潜力。