激光熔覆原位合成TiC/TiB2颗粒增强钴基涂层的微观结构与性能调控研究

本研究针对D2模具钢表面磨损修复需求，通过激光熔覆技术原位合成TiC/TiB2复合涂层，系统探究不同Ti/B4C粉末添加量对涂层性能的影响。结果表明，12%添加量时涂层显微硬度达711.0 HV1.0，磨损率降低71.69%，为钴基涂层的工业应用提供重要参考。

　　

在工业制造领域，D2模具钢作为高碳高铬冷作模具钢，虽具有优异耐磨性，但长期使用仍面临表面磨损导致的模具失效问题。传统修复技术如焊接、喷涂等存在结合强度不足、效率低下等缺陷，而激光熔覆技术凭借冶金结合好、可控性强的优势成为研究热点。钴基粉末作为常用熔覆材料，其单一涂层性能仍有提升空间，通过原位合成陶瓷颗粒增强成为突破方向。

重庆理工大学的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表研究，创新性地采用激光熔覆技术在D2钢表面原位合成TiC/TiB₂复合涂层。研究通过调控Ti/B₄C混合粉末比例（0-12%），结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和力学性能测试，系统分析了陶瓷颗粒对涂层性能的影响机制。

材料与涂层制备
选用TA1钛粉与B₄C粉按3:1摩尔比混合，采用5kW光纤激光器在氩气保护下进行多层熔覆，通过优化工艺参数获得无缺陷涂层。

物相分析
XRD证实涂层中成功合成TiC和TiB₂相，Gibbs自由能计算表明该反应可自发进行。随着粉末添加量增加，陶瓷相衍射峰强度显著增强。

微观结构
SEM显示TiC/TiB₂颗粒呈弥散分布，12%添加组晶粒尺寸最小（较基体细化62%），EBSD分析证实陶瓷颗粒有效抑制晶界迁移。

力学性能

1. 显微硬度：12%组达峰值711.0 HV_1.0，较未添加组提升189%；
2. 耐磨性：磨损率与粉末添加量呈负相关，最优组磨损量降低71.69%，磨损机制以磨粒磨损为主；
3. 拉伸性能：抗拉强度提升37%，但冲击吸收功下降23%，归因于陶瓷相引起的脆性增加。

该研究首次系统阐明了Ti/B₄C添加量对钴基涂层综合性能的影响规律，突破传统直接添加硬质颗粒的局限。通过原位合成技术实现涂层显微组织精准调控，为模具表面修复提供新思路。值得注意的是，虽然陶瓷相显著提升硬度和耐磨性，但韧性的降低提示未来需优化颗粒分布以平衡强韧性。研究成果获得重庆市自然科学基金（CSTB2022NSCQ-MSX0473）等项目的支持，对延长模具寿命、减少资源浪费具有重要工程价值。