激光重熔诱导的TiC/FeNiCoCr复合涂层的微观结构演变与性能优化

《Materials Chemistry and Physics》：Microstructural evolution and property optimization of TiC/FeNiCoCr composite coatings induced by laser remelting

激光重熔处理优化了TiC增强FeNiCoCr涂层的相组成、微观结构及性能。研究发现LRM使TiC颗粒细化并均匀分布，晶界密度增加，纳米硬度提升，同时显著增强耐腐蚀性和抗空化腐蚀能力，其抗空化性能与纳米硬度和腐蚀电流密度呈强正相关。

　　这项研究探讨了通过激光熔覆（LC）工艺制备的TiC增强FeNiCoCr复合镀层在熔覆前后的相组成、微观结构特征、纳米压痕特性、耐腐蚀性能以及空蚀抗性。研究还深入分析了熔覆处理对微观结构改性和整体性能提升的潜在机制。研究结果表明，尽管镀层的主要相组成（FCC + TiC）在熔覆处理后保持不变，但TiC颗粒的形态和空间分布发生了显著变化。与LC镀层相比，经过激光再熔（LRM）处理的镀层中TiC颗粒更加细小且分布更加均匀，从而减少了颗粒聚集现象，并增强了增强相与基体之间的界面结合强度。

由于再熔过程中冷却速率的降低，晶粒表现出更强的择优取向，并伴随着明显的动态再结晶现象，导致晶粒细化。与此同时，LRM镀层中高角度晶界（HAGBs）的比例有所增加，而再熔过程还有效缓解了应力集中，提高了镀层的稳定性。TiC颗粒的细化形态和更均匀的分布显著提升了LRM镀层的纳米硬度，同时保持了其承载载荷和抵抗塑性变形的能力。电化学测试显示，LC和LRM镀层的耐腐蚀性能与316不锈钢（SS）相当，而LRM镀层由于其更致密的微观结构和优化的增强相分布，表现出进一步提升的抗腐蚀性能。

此外，机械强度和耐腐蚀性能的综合提升使得LRM镀层在空蚀抵抗方面表现出优异的性能。线性拟合分析表明，空蚀抵抗（Re）与纳米硬度（H）和腐蚀电流密度（I_corr）之间存在显著的正相关关系（R2 > 0.9）。值得注意的是，LRM镀层在空蚀测试后仍能保持结构完整性，显示出卓越的服务稳定性。这一研究为提升金属材料表面性能提供了新的思路和方法，特别是在海洋工程等易受空蚀影响的领域。

激光熔覆（LC）作为一种高效的表面增强技术，具有低稀释率、强冶金结合、致密微观结构和狭窄热影响区等优势，已被广泛应用于制备耐磨、耐腐蚀和抗空蚀镀层。然而，在LC过程中，TiC颗粒常面临诸如聚集、分布不均和界面结合弱等问题，这可能导致冶金缺陷，如气孔和裂纹，从而影响镀层的整体性能。为了进一步提升激光熔覆镀层的性能，研究者们已经探索了多种后处理技术。传统的热处理方法在缓解残余应力和促进析出强化方面具有一定的效果，但可能引发晶粒粗化，并且在消除已有的缺陷方面能力有限。喷丸处理（SP）能够提升表面硬度和疲劳强度，但其作用主要局限于表面区域，对整体微观结构影响较小。其他方法如表面机械研磨处理（SMAT）可以实现局部微观结构细化和性能提升，但通常难以实现整个镀层的全面改性。

同样，激光冲击喷丸（LSP）虽然在引入深层残余压缩应力和提升疲劳强度方面具有显著效果，但在复杂几何形状的零件上实现均匀覆盖仍面临挑战。因此，本研究引入了激光再熔（LRM）作为LC后的处理工艺。通过再加热和再凝固的过程，LRM旨在优化镀层的微观结构特征，促进元素再分布，并增强陶瓷增强相与金属基体之间的界面结合。考虑到多次熔覆循环可能引发合金元素耗尽和过度晶粒粗化等不利影响，本研究选择单次熔覆处理作为后处理策略。其目标是实现镀层微观结构特征和整体性能的协同提升，同时保持结构稳定性。

本研究聚焦于通过LC工艺制备的TiC增强FeNiCoCr复合镀层，系统地探讨了LRM处理对相组成、宏观和微观结构以及晶相特征的影响。同时，对镀层的纳米压痕特性、电化学腐蚀性能和空蚀特性进行了深入研究。研究的目的是阐明LRM处理在优化高性能复合镀层方面的潜力和优势。通过对比LC和LRM镀层的性能差异，研究揭示了再熔处理在提升镀层综合性能方面的重要作用。特别是在提高镀层的硬度、耐磨性、抗空蚀性以及抗腐蚀能力方面，LRM处理展现出显著的效果。

研究还探讨了TiC增强相在复合镀层中的作用机制。TiC具有高硬度、高熔点和良好的热稳定性，使其成为增强复合镀层性能的理想选择。然而，在LC过程中，由于快速冷却和熔融过程中的不均匀性，TiC颗粒容易出现聚集和分布不均的问题，从而影响镀层的性能。通过LRM处理，可以有效缓解这些问题，使TiC颗粒的分布更加均匀，增强其与基体的结合力，进而提升镀层的整体性能。此外，研究还发现，LRM处理能够显著改善镀层的晶粒结构，使晶粒更加细小且具有择优取向，这有助于提升镀层的机械强度和抗疲劳性能。

研究进一步分析了镀层在不同环境下的性能表现。在腐蚀测试中，LC和LRM镀层均表现出与316不锈钢相当的耐腐蚀能力，而LRM镀层由于其更致密的微观结构和优化的增强相分布，显示出更高的抗腐蚀性能。在空蚀测试中，LRM镀层表现出显著优于LC镀层的抗空蚀能力。这表明，通过LRM处理可以有效提升镀层在复杂工况下的服役性能，从而延长其使用寿命。

此外，研究还探讨了不同参数对镀层性能的影响。例如，TiC颗粒的含量、粒径以及分布情况对镀层的硬度、耐磨性和抗空蚀性具有显著影响。通过优化这些参数，可以进一步提升镀层的综合性能。同时，研究还发现，镀层的微观结构特征对性能的影响也十分关键。例如，晶粒尺寸、晶界类型以及界面结合强度等都会影响镀层的机械性能和耐腐蚀能力。因此，通过LRM处理，可以有效调控这些微观结构特征，从而实现镀层性能的全面提升。

研究还强调了激光熔覆和激光再熔技术在表面工程中的重要性。这些技术不仅能够提升材料的表面性能，还能够改善其在复杂工况下的服役寿命。例如，在海洋工程中，316不锈钢常受到空蚀和腐蚀的双重影响，而通过LC和LRM技术制备的复合镀层能够有效抵抗这些影响，从而提高其在实际应用中的可靠性。此外，研究还发现，这些技术在提高材料的表面硬度、耐磨性、抗疲劳性和抗腐蚀性方面具有显著优势，这使其在多个工业领域中具有广泛的应用前景。

本研究的实验方法包括材料的选择、实验设备的配置以及多种测试手段的使用。实验中使用的基材为316不锈钢，其化学成分包括碳（C）、镍（Ni）、铬（Cr）、钼（Mo）、磷（P）、锰（Mn）、硅（Si）等元素。复合镀层的制备采用商业FeNiCoCr高熵合金粉末和TiC陶瓷粉末，其中TiC的质量分数为10%。通过激光熔覆工艺，将这些粉末沉积在基材表面，形成复合镀层。随后，对镀层进行激光再熔处理，以优化其微观结构和性能。

实验过程中采用了多种表征手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、纳米压痕测试（Nanoindentation）以及电化学测试（Electrochemical testing）等。这些手段能够全面分析镀层的相组成、微观结构特征、表面形貌以及机械和腐蚀性能。通过对比LC和LRM镀层的性能差异，研究揭示了再熔处理在提升镀层综合性能方面的关键作用。

此外，研究还探讨了不同处理参数对镀层性能的影响。例如，激光功率、扫描速度、粉末粒径以及熔覆层数等因素都会影响镀层的微观结构和性能。通过优化这些参数，可以进一步提升镀层的综合性能。同时，研究还发现，激光再熔处理的温度和时间对镀层的性能也有重要影响。适当的再熔温度和时间能够有效促进元素再分布，改善晶粒结构，并增强界面结合强度。

本研究的结果表明，激光再熔处理在提升TiC增强FeNiCoCr复合镀层的性能方面具有显著优势。通过再熔处理，镀层的TiC颗粒更加细小且分布更加均匀，从而减少了颗粒聚集现象，并增强了增强相与基体之间的界面结合。同时，再熔处理能够显著改善镀层的晶粒结构，使晶粒更加细小且具有择优取向，这有助于提升镀层的机械强度和抗疲劳性能。此外，再熔处理还能够缓解应力集中，提高镀层的稳定性，使其在复杂工况下表现出更好的服役性能。

研究还发现，激光再熔处理能够显著提升镀层的纳米硬度和抗空蚀能力。这表明，通过再熔处理可以有效优化镀层的表面性能，使其在高应力、高腐蚀等复杂环境下表现出更好的稳定性。此外，研究还强调了激光熔覆和激光再熔技术在表面工程中的重要性。这些技术不仅能够提升材料的表面性能，还能够改善其在复杂工况下的服役寿命，从而提高其在实际应用中的可靠性。

本研究的实验结果为未来表面工程的研究提供了新的思路和方法。通过结合激光熔覆和激光再熔技术，可以有效优化镀层的微观结构和性能，使其在多个工业领域中具有广泛的应用前景。同时，研究还发现，TiC增强相在复合镀层中的作用机制十分复杂，涉及多种物理和化学过程。通过深入研究这些机制，可以进一步提升镀层的综合性能，为材料科学和工程领域的发展提供新的理论支持。

总之，本研究通过系统分析激光熔覆和激光再熔处理对TiC增强FeNiCoCr复合镀层性能的影响，揭示了再熔处理在提升镀层综合性能方面的关键作用。研究结果表明，通过再熔处理可以有效优化镀层的微观结构和性能，使其在复杂工况下表现出更好的稳定性。这些发现为未来表面工程的研究提供了重要的理论支持和实践指导，同时也为提高材料的表面性能和服役寿命提供了新的技术手段。