IN718/316L不锈钢复合涂层的微观结构与性能演变——通过激光定向能量沉积技术制备

《Applied Surface Science》：Microstructure and property evolution of IN718/316L SS composite coating ? manufactured by laser-directed energy deposition

采用激光增材制造技术制备了梯度成分的IN718/316L不锈钢复合涂层，通过系统研究不同成分（25%梯度）对相组成、微观结构、硬度、耐磨性和耐腐蚀性的影响，揭示了固溶强化、析出强化与细晶强化的协同作用机制。75%和100% IN718涂层均析出Laves相并形成环状陶瓷结构，最大硬度达418.4 HV，最小磨损率5.085×10-4 mm3/(N·m)，等效应极化电阻最高187570 Ω。研究证实梯度成分通过差异化的强化机制显著改善涂层性能，其中75% IN718涂层因细晶与析出强化使硬度提升13.61 HV，而100% IN718涂层固溶强化贡献达49.71 HV。

　　在现代材料科学与工程领域，随着工业对高性能材料需求的不断提升，复合涂层技术正逐渐成为提升材料表面性能的重要手段。特别是对于需要在高温、高压或腐蚀性环境中工作的机械部件，复合涂层能够显著改善其耐磨性、硬度以及耐腐蚀能力。本研究聚焦于一种新型的IN718/316L不锈钢复合涂层的制备与性能分析，采用激光定向能量沉积（LDED）技术，通过调整IN718合金的添加比例，系统探讨其对涂层微观结构、力学性能及耐腐蚀性能的影响。通过这一研究，我们不仅能够深入了解复合涂层的形成机制，还能为工业表面强化技术提供理论依据与实践指导。

### 材料与工艺基础

IN718是一种典型的镍基高温合金，以其优异的机械性能、高温强度和耐腐蚀性而闻名。它被广泛应用于航空航天发动机和工业燃气轮机的核心部件中，是材料科学领域的重要研究对象。316L不锈钢则因其良好的耐腐蚀性、成本效益以及可加工性，在机械工程、化工、能源和航空航天等多个行业得到了广泛应用。然而，传统制造工艺在生产316L不锈钢涂层时，存在生产周期长、加工性能差等局限，难以满足复杂形状或高性能要求的表面强化需求。

近年来，随着增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的快速发展，特别是激光定向能量沉积（LDED）技术的成熟，为复合涂层的高效制备提供了新的可能性。LDED技术以其高效率、精确的工艺控制以及高质量的成形能力，成为表面工程领域的重要工具。通过该技术，研究人员能够将IN718合金作为增强相，与316L不锈钢基体相结合，制备出具有优异综合性能的复合涂层。本研究正是基于这一背景，通过调整IN718的添加比例，探索其对涂层性能的影响。

### 涂层制备与性能分析

在本研究中，采用LDED技术制备了四种不同IN718添加比例的复合涂层，分别为25%、50%、75%和100%。这些涂层均沉积在常用的Q235钢基材上，旨在评估不同成分比例对涂层性能的具体影响。通过对涂层的相组成、微观结构、显微硬度、摩擦学性能以及电化学腐蚀行为的系统研究，我们能够更全面地了解其在不同应用环境下的表现。

首先，从相组成的角度来看，随着IN718添加比例的增加，涂层中出现了Laves相和环状陶瓷相。Laves相通常是在合金中由于元素偏析或冷却过程中形成的，而环状陶瓷相则可能是在高温下某些元素发生反应并析出的结果。这些相的形成不仅影响了涂层的微观结构，还对涂层的整体性能产生了深远的影响。值得注意的是，75%和100% IN718的涂层在相组成上表现出显著差异，这可能是由于不同比例下元素分布和反应条件的变化所导致。

其次，从微观结构的角度来看，涂层的显微硬度随着IN718添加比例的增加而提升。在所有实验条件下，75%和100% IN718的涂层表现出最高的硬度值，分别达到了418.4 HV和更高的水平。这一现象可以归因于多种强化机制的协同作用，包括固溶强化、析出强化和晶粒细化强化。其中，析出强化和晶粒细化强化在75% IN718涂层中起到了关键作用，而固溶强化则在100% IN718涂层中表现出更显著的效果。这表明，不同比例的IN718合金对涂层的强化机制具有不同的贡献，需要进一步分析其具体作用。

在摩擦学性能方面，涂层的磨损率随着IN718添加比例的增加而降低。75% IN718的涂层表现出最低的磨损率，仅为5.085×10?? mm3/(N·m)。这一结果说明，IN718的添加在一定程度上提高了涂层的耐磨性。然而，磨损机制在不同比例下有所变化，75% IN718的涂层主要经历了粘着磨损和磨粒磨损，而100% IN718的涂层则表现出更多的氧化磨损。这表明，随着IN718比例的增加，涂层在摩擦过程中更容易受到氧化环境的影响，从而改变了其磨损行为。

在电化学腐蚀方面，涂层的等效极化电阻随着IN718添加比例的增加而显著提高。100% IN718的涂层等效极化电阻达到了187570 Ω，这表明其具有更强的抗腐蚀能力。然而，这种抗腐蚀性能的提升并非单一因素所致，而是多种机制共同作用的结果。例如，涂层中析出的Laves相和环状陶瓷相可能在表面形成了一层保护膜，从而减少了腐蚀介质与基材之间的直接接触。此外，涂层的微观结构变化也可能对腐蚀行为产生了影响，如晶粒细化能够提高材料的致密性，从而减少腐蚀路径。

### 强化机制的分析

为了进一步揭示不同IN718添加比例对涂层性能的影响，本研究对强化机制进行了深入分析。在75% IN718的涂层中，析出强化和晶粒细化强化是主要的强化手段。析出强化指的是在合金中形成第二相，这些相能够阻碍位错运动，从而提高材料的强度。晶粒细化则通过减少晶粒尺寸，增加晶界数量，进一步提高材料的硬度和耐磨性。这两种机制的协同作用使得75% IN718的涂层在硬度和耐磨性方面表现出优异的性能。

而在100% IN718的涂层中，固溶强化成为主导的强化机制。固溶强化是指通过合金元素的固溶进入基体中，改变其晶体结构，从而提高材料的强度。由于IN718中含有较高的镍和铬含量，这些元素的固溶作用能够显著增强材料的固溶强度。然而，固溶强化的效果在一定程度上受到晶粒尺寸和分布的影响，因此100% IN718的涂层在某些方面可能不如75% IN718的涂层表现稳定。

此外，研究还发现，不同添加比例的涂层在界面元素扩散方面表现出不同的特征。通过元素线扫描分析，发现所有样品的涂层与基材之间都发生了显著的Fe元素扩散，这表明涂层与基材之间形成了牢固的冶金结合。然而，Fe元素的扩散程度在不同样品中有所差异，这可能与涂层的成分比例和冷却速率有关。例如，75% IN718的涂层在界面附近表现出更强烈的Fe元素扩散，这可能与其较高的析出相含量有关。

### 涂层应用与挑战

尽管IN718/316L不锈钢复合涂层在性能上表现出色，但其在实际应用中仍面临一些挑战。首先，IN718合金的成本相对较高，这在一定程度上限制了其在大规模工业应用中的推广。相比之下，316L不锈钢的成本较低，因此在制备复合涂层时，需要在性能与成本之间找到一个平衡点。其次，涂层在沉积过程中可能会出现一些缺陷，如裂纹和微孔，这些缺陷可能会影响涂层的使用寿命和可靠性。因此，如何优化工艺参数，减少缺陷的产生，是当前研究的一个重要方向。

此外，涂层的性能还受到其微观结构的影响。例如，晶粒尺寸的细化能够提高材料的硬度和耐磨性，但过小的晶粒可能导致涂层的脆性增加，从而降低其韧性。因此，在设计复合涂层时，需要综合考虑不同强化机制对材料性能的影响，以实现最佳的综合性能。同时，涂层的热稳定性也是一个关键因素，特别是在高温环境下工作的部件，需要确保涂层在长期使用过程中不会发生结构变化或性能下降。

### 未来研究方向

本研究的结果为IN718/316L不锈钢复合涂层的开发提供了重要的理论依据和实验数据。然而，仍有许多问题需要进一步探讨。例如，不同添加比例下的涂层在长期使用中的稳定性如何？涂层在不同环境条件下的性能变化是否具有可预测性？此外，如何通过优化工艺参数，进一步提高涂层的性能并减少缺陷的产生，也是未来研究的重要课题。

未来的研究可以结合更多的实验手段，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），对涂层的微观结构和相组成进行更深入的分析。同时，可以通过模拟和理论计算，预测不同成分比例对涂层性能的影响，从而指导实际应用。此外，研究还可以拓展到其他类型的金属基复合材料，探索不同增强相对涂层性能的贡献，以期开发出更广泛适用的高性能复合涂层。

总的来说，IN718/316L不锈钢复合涂层的制备与性能研究具有重要的理论和实际意义。通过LDED技术，我们能够制备出具有优异综合性能的涂层，为工业表面强化技术提供了新的思路和方法。然而，仍需进一步优化工艺参数，深入理解强化机制，并解决成本和缺陷等问题，以实现这一技术的广泛应用。