采用激光沉积增强（LDED）技术沉积在换热器管上的Mo合金SS316激光熔覆层的高温磨损行为研究

《Next Materials》：Investigation of high-temperature wear behaviour of Mo-alloyed SS316 laser claddings deposited by LDED for heat exchanger tubes

针对SS304基体在高温（400℃）下表面磨损严重的问题，研究通过激光直接能量沉积（LDED）制备了含10%和20% Mo的SS316复合包覆层。实验表明，20% Mo包覆层磨损率最低（较基体SS316降低60%），并形成稳定的Fe?O?、Fe?O?和MoO?氧化物层，显著抑制粘着磨损，摩擦系数降低至0.62，表面形貌更光滑，为高温工业应用提供了有效解决方案。

　　本研究探讨了通过激光直接能量沉积（LDED）在SS304基体上制备Mo增强的SS316复合镀层，以提升其在高温环境下的耐磨性能。SS304作为一种广泛应用于极端工况下的不锈钢材料，例如热交换管、海水淡化装置和储存乏燃料的容器，其在高温下的表面退化问题仍然是工业领域的重要挑战。随着工业对材料性能要求的提高，单纯依赖SS304的耐磨性已无法满足实际需求，因此有必要对SS304进行表面改性处理，以增强其在高温条件下的服役性能。

本研究选择SS316作为增强材料，并引入10%和20%的Mo作为增强元素，制备了两种复合镀层。通过在400°C条件下进行干式线性往复摩擦测试，评估了这些镀层的高温耐磨性能。实验中，测试载荷分别为10N和20N，以模拟实际应用中的不同应力条件。实验结果表明，Mo增强的SS316镀层在高温下的耐磨性能显著优于未增强的SS316镀层。具体而言，SS316+20% Mo镀层的磨损率比未增强的SS316镀层降低了60%，并且比SS316+10% Mo镀层提高了29%。这一结果突显了Mo在增强镀层结构、细化晶粒以及稳定氧化物形成方面的关键作用。

从微观结构的角度来看，LDED工艺能够有效实现金属材料的熔融与快速凝固，从而形成具有优良冶金结合性能的镀层。通过XRD和FE-SEM等分析手段，研究者观察到随着Mo含量的增加，镀层的微观结构得到了显著优化。例如，在20% Mo含量的镀层中，形成了更多的MoC和Fe?C相，这些相的出现不仅提高了镀层的硬度，还增强了其抗塑性变形能力。此外，氧化物的形成也得到了优化，如Fe?O?、Fe?O?和MoO?等，这些氧化物在高温下形成稳定的保护层，减少了金属间的直接接触，从而降低了摩擦系数和磨损率。

从摩擦行为的角度来看，随着Mo含量的增加，摩擦系数呈现出明显的下降趋势。在10N载荷下，SS316+10% Mo镀层的摩擦系数比SS316降低了5.33%，而SS316+20% Mo镀层的摩擦系数进一步下降至0.68，比SS316降低了9.33%。在20N载荷下，这一趋势依然显著，SS316+20% Mo镀层的摩擦系数下降至0.62，比SS316降低了19.48%。这些结果表明，Mo的加入不仅改善了镀层的硬度，还通过形成自润滑的氧化物层，有效减少了金属间的直接摩擦。

磨损痕迹的形态分析进一步揭示了Mo增强镀层在高温下的优势。在10N载荷下，SS316镀层的磨损痕迹较为深邃且粗糙，表明其主要受到粘附磨损和磨粒磨损的影响。而SS316+10% Mo镀层的磨损痕迹则显得更为平滑，且深度和宽度均有所减少，这说明Mo的加入有助于抑制粘附磨损，并减少材料损失。相比之下，SS316+20% Mo镀层的磨损痕迹更加均匀，且表面更加光滑，表明其主要受到氧化磨损的影响，而粘附和磨粒磨损的贡献显著减少。这种磨损机制的转变是由于Mo的引入，使得表面能够形成连续的氧化物保护层，从而减少金属间的直接接触和摩擦。

通过3D非接触式轮廓仪对磨损痕迹进行分析，进一步验证了上述结论。实验数据显示，SS316+20% Mo镀层的磨损痕迹深度和宽度均显著小于未增强的SS316镀层。在10N载荷下，其磨损痕迹深度减少了17.6%，宽度减少了24.6%；而在20N载荷下，磨损痕迹深度减少了51.3%，宽度减少了27.7%。这些数据表明，Mo的加入不仅提高了镀层的硬度，还增强了其在高温和高载荷条件下的稳定性。

此外，研究还发现，Mo的引入能够显著改善镀层的氧化性能。在高温下，镀层表面形成了Fe?O?、Fe?O?和MoO?等氧化物层，这些氧化物层不仅具有良好的保护性能，还能够减少摩擦和磨损。通过Raman光谱分析，研究者进一步确认了这些氧化物的存在，并发现它们在高温下表现出较高的热稳定性，从而有效降低了磨损速率。

综上所述，本研究通过LDED技术在SS304基体上制备了Mo增强的SS316复合镀层，并通过多种实验手段对其高温耐磨性能进行了系统评估。研究结果表明，Mo的加入显著提升了镀层的硬度、耐磨性以及氧化物形成能力，从而有效改善了其在高温环境下的摩擦行为和磨损性能。特别是在20% Mo含量的镀层中，其表现出最佳的耐磨性能，磨损率比未增强的SS316降低了60%，并且在不同载荷条件下均展现出良好的稳定性。这一研究不仅为高温工业应用中的材料选择提供了新的思路，也为进一步开发高性能的复合镀层技术奠定了基础。