硼元素添加对激光沉积Fe-36Ni合金涂层微观结构演变及摩擦学性能的优化机制研究

为解决关键结构件磨损导致的材料早期失效问题，研究人员通过激光沉积技术制备不同硼含量（1-6 wt.%）的因瓦合金涂层，系统研究了硼合金化对涂层微观结构、硬度和耐磨性的影响。结果表明，硼元素的添加细化了FCC枝晶并促进Ni2B+FCC共晶结构形成，使涂层硬度提升至770.5 HV0.2，1 wt.%硼含量下磨损率降低83.6%。该研究为开发低膨胀系数、高耐磨的激光沉积涂层提供了新策略。

　　

在工业领域，关键结构件的磨损是导致材料失效的"隐形杀手"。传统因瓦合金（Fe-36Ni）虽具有近乎为零的热膨胀系数，但其单相面心立方（FCC）结构导致的低硬度和耐磨性，使其难以满足高负荷工况需求。现有涂层技术如热喷涂存在结合强度低的问题，而激光沉积技术虽能实现冶金结合，但快速冷却过程产生的高残余应力易引发涂层开裂。如何突破"低膨胀系数"与"高耐磨性"不可兼得的技术瓶颈，成为材料领域亟待解决的难题。

中国的研究团队创新性地采用硼元素作为"性能调节剂"，通过激光沉积技术制备了硼含量梯度变化的Fe-36Ni-B合金涂层。研究发现，微量硼添加（1 wt.%）即可引发涂层微观结构的革命性改变——FCC枝晶显著细化并形成纳米级Ni₃B+FCC共晶网络，这种"刚柔并济"的微观结构使涂层硬度提升5倍的同时，磨损率骤降83.6%。相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为航空航天、精密仪器等领域高性能涂层的设计提供了新思路。

研究采用半导体激光器（LDM2500-60）在氩气保护下进行多道多层沉积，通过电子探针（EPMA）和电子背散射衍射（EBSD）解析元素分布与相组成，结合纳米压痕仪和多功能材料表面性能 tester 评估力学性能。45#钢基体经喷砂处理后作为沉积基底，粉末体系包含高纯度Fe、Ni和含20.25 wt.% B的FeB合金粉末。

3.1 表面形貌与相组成
宏观分析显示，纯因瓦合金涂层存在鱼鳞状焊道和大尺寸气孔，而含硼涂层致密度显著提高。XRD证实硼添加引发相变：1 wt.% B时出现正交晶系Ni₃B相，6 wt.% B时新增Ni₂B相。这种非平衡相变源于激光沉积10³-10⁶ K/s的超快冷却速率。

3.2 硼含量对微观结构的影响
EBSD三维重构揭示了"枝晶-共晶"结构的动态演变：1 wt.% B时Ni₃B相仅占1.8%，分布于FCC晶界；3 wt.% B时共晶区域扩展形成典型网状结构；6 wt.% B出现跨越多个晶粒的鱼骨状Ni₃B枝晶。这种演变源于硼元素的"上坡扩散"效应——快速凝固过程中溶质原子向固液界面富集，触发L→Ni₃B+L'→Ni₃B+Ni₂B的亚共晶反应。

3.3 硬度强化机制
纳米压痕测试显示，共晶区域的硬度（5.36 GPa）显著高于FCC相（3.94 GPa）。6 wt.% B样品整体硬度达770.5 HV_0.2，弹性模量提升至221.69 GPa。这种"三级强化"效应源于：晶界处Ni₃B钉扎导致的细晶强化、共晶结构的第二相强化，以及硼原子的固溶强化。

3.4-3.5 摩擦学行为演变
磨损机制随硼含量呈现"四阶段转变"：0B时为纯粘着磨损，表面出现块状剥落；1B时形成保护性氧化层，进入粘着-磨粒混合磨损；2-4B时磨粒磨损主导并伴随疲劳裂纹；6B时转变为疲劳磨损为主，摩擦系数低至0.15。值得注意的是，1 wt.% B样品虽硬度仅提高2倍，但磨损率降低83.6%，这归因于滑动过程中形成的连续氧化层有效阻隔了金属直接接触。

该研究突破性地揭示了硼元素在激光沉积因瓦合金中的"结构-性能"调控规律：通过精确控制硼含量（1-3 wt.%），可实现FCC枝晶细化、共晶结构调控与残余应力优化的协同作用。特别值得注意的是，6 wt.% B样品虽具有最高硬度，但因Ni₃B相含量达72.1%导致的脆性开裂使其实际应用受限。这一发现为"成分-工艺-性能"一体化设计提供了重要指导——在航空航天高温部件、精密模具等应用场景中，1-3 wt.% B的添加窗口既能保持因瓦合金的低膨胀特性，又可实现耐磨性的数量级提升。未来研究可进一步探索硼与其他微合金化元素（如Zr、Mo）的协同效应，以突破现有性能边界。