激光重熔改善Fe-Cr-C-W电弧熔覆涂层微观结构与耐磨性的机理研究

为解决高温高载荷工况下材料磨损问题，研究人员通过电弧熔覆(AC)结合激光重熔(LR)技术制备Fe-Cr-C-W涂层。结果表明，LR使枝晶尺寸从6.34 μm细化至4.63 μm，孔隙率降低，显微硬度提升16%至858 HV0.5，在200°C/500N条件下摩擦系数(COF)降至0.115。该研究为化工设备、重型机械等高温耐磨部件提供了优化方案。

　　

在高温高压的极端工况下，机械部件的磨损问题如同隐形杀手，每年导致巨额维护成本和设备失效。特别是在石油钻采设备、化工反应釜等场景中，传统Fe-Cr-C涂层虽具成本优势，却常因碳化物粗化、高温稳定性不足而“折戟沙场”。如何让材料既保持“钢筋铁骨”又具备“柔韧内芯”，成为材料科学家们亟待破解的难题。

来自国内研究机构的团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究，犹如为这一难题提供了“激光手术刀”。研究人员采用电弧熔覆(AC)快速制备Fe-Cr-C-W涂层后，创新性地引入激光重熔(LR)技术进行精修。这种“粗加工+精雕琢”的组合拳，既保留了AC厘米级加工的效率优势，又通过LR实现微观缺陷修复，堪称材料表面工程的“中西医结合疗法”。

研究主要运用光学金相(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)解析微观结构，通过显微硬度计和环盘摩擦仪评估性能。测试设置300-500N载荷及室温/200°C双温区，模拟真实工况。

【微观结构】XRD图谱揭示AC和LR涂层均以马氏体为基体，镶嵌着M₇C₃和M₂₃C₆碳化物“铠甲”。LR使枝晶尺寸从6.34 μm“瘦身”至4.63 μm，碳化物分布更均匀，孔隙率显著降低，宛如为材料做了次纳米级“微整形”。

【硬度提升】LR处理的涂层显微硬度飙升至858 HV_0.5，增幅达16%。这归功于LR诱导的快速相变形成细晶马氏体，以及WC/W₂C硬质相的“钉扎效应”，相当于给材料表面装上了微观“防弹衣”。

【摩擦学行为】在500N严苛条件下，LR涂层在200°C时展现出惊人的稳定性——摩擦系数(COF)低至0.115，堪比特氟龙的润滑性能。研究发现这是氧化膜与回火马氏体协同作用的结果：高温下形成的氧化膜如同“自润滑剂”，而回火马氏体则像“缓冲垫”，共同构建了动态保护机制。

【磨损机制】室温下以磨粒磨损为主，如同“砂纸打磨”；高温时则转变为粘着磨损伴随氧化磨损，类似“橡皮擦效应”。LR涂层在两种模式下均表现优异，尤其在高温下磨损率降低超30%。

这项研究的意义不仅在于创造了性能优异的涂层，更揭示了“温度-载荷-微观结构”的协同调控机制。通过LR技术实现的“晶粒细化+缺陷修复+硬质相调控”三位一体策略，为开发新一代高温耐磨材料提供了范式。未来在化工反应釜、涡轮叶片等场景的应用，或将改写高温部件“短命”的现状。值得一提的是，研究中采用的AC+LR组合工艺，以金属丝材替代昂贵粉末，成本仅为激光熔覆的1/10，完美诠释了“降本增效”的工业哲学。