激光定向能量沉积制备CoCrNi(SiC)x涂层的热行为、微观结构演变与摩擦学性能研究

本文系统研究了纳米SiC添加量（0-10 wt%）对激光定向能量沉积(LDED)制备CoCrNi(SiC)x复合涂层的多重影响，首次定量揭示了SiC对单道/多道激光沉积熔池温度场的作用机制，阐明了SiC分解驱动的Si固溶、C偏析及Cr23C6析出行为，通过固溶/沉淀/位错强化和自润滑Cr2SiO4/SiO2膜的原位形成，实现摩擦系数降低50%、磨损率下降76%的突破性提升。

　　

Highlight

熔池分析

为阐明SiC添加对熔覆层熔化凝固行为的影响，我们通过定点监测获取了不同SiC含量下LDED过程的瞬态温度场分布。如图3a所示选取监测点An的数据显示，随着SiC含量增加，熔池峰值温度从1373°C显著提升至1740°C，温度梯度由1071°C/mm激增至3860°C/mm，同时熔池尺寸减小。这主要归因于SiC的高激光吸收率（0.78 vs 金属粉末0.6）和熔池内马兰戈尼(Marangoni)流动的抑制效应。

SiC对熔池熔化凝固行为的影响

图3-7证明SiC添加通过四种机制影响LDED熔池行为：

i) 提升熔池峰值温度：SiC在1064 nm YAG激光下的高吸收特性使能量利用率提高；

ii) 增大温度梯度：SiC的低热导率（34 W/mK）导致热量积聚；

iii) 加速冷却速率（1285→2029°C/s）：纳米SiC作为异质形核位点促进晶粒细化（111.3→17.1 μm）；

iv) 改变熔池形貌：抑制的马兰戈尼流动使熔池宽深比降低23.6%。

结论

本研究通过激光熔覆在ASTM-1035钢上制备CoCrNi-xSiC复合涂层，发现：

1. 1.

   SiC通过高激光吸收特性、低热导率等改变熔池热场；

2. 2.

   SiC分解驱动Si固溶于FCC基体，C在晶界偏析促进Cr₂₃C₆析出；

3. 3.

   弹性模量（101.41→159.72 GPa）和纳米硬度（3.29→6.73 GPa）的提升使H/E和H³/E²参数优化；

4. 4.

   摩擦学性能改善源于固溶/沉淀强化机制和自润滑氧化膜的原位形成。