采用激光定向能量沉积技术制备的TaN/IN718复合材料涂层：通过添加TaN和超声处理调控沉积物形态

《Surfaces and Interfaces》：Microstructure and Properties of TaN / IN718 Composite Coatings via Laser Directed Energy Deposition: Regulating Precipitates through TaN Addition and Ultrasonic Treatment

　　• 通过激光定向能量沉积（LDED）技术制备新型TaN/TIN718复合涂层。
• 阐明了第二相的形成机制及其竞争性沉淀过程。
• 评估了TaN添加和超声处理对材料力学性能的影响。
• 分析了复合涂层耐腐蚀性的显著提升。
• 讨论了超声处理对微观结构和性能的影响。

**引言**
IN718（Inconel 718）超合金因其优异的高温强度、良好的抗疲劳性能以及卓越的抗氧化和抗热腐蚀性能，在航空航天、能源和化工等领域中作为关键的高温结构材料被广泛使用[[1], [2], [3]]。然而，由于其较差的加工性能，纯IN718合金涂层在高速、重载和高温摩擦等极端工作条件下容易出现磨损和软化问题[[4], [5], [6]]。其生产过程通常具有挑战性且成本较高，这严重限制了其在要求组件具有高机械性能的应用领域中的进一步应用。
在各种涂层处理方法中，激光定向能量沉积（LDED）是一种关键的增材制造和表面改性技术[[7]]。通过使用高能激光束同步熔化送入的粉末材料，它可以逐层沉积形成致密的涂层或三维实体部件，具有可控热输入、快速冷却速率以及涂层与基材之间的冶金结合等优点[[8], [9], [10]]。然而，在LDED制备过程中，熔池容易产生孔隙和裂纹以及粗大晶粒的问题[[11,12]]。为了解决这些问题，出现了外部场辅助的LDED技术，并已成为当前的研究焦点。超声辅助制备技术通过向熔池引入高频机械振动，可以有效破碎枝晶、细化晶粒、促进成分均匀化并抑制缺陷生成[[13], [14], [15]]。Liu等人[[16]]利用超声辅助激光定向能量沉积技术制备了TiB/Ti6Al4V复合材料，结果表明在超声作用下沉积材料的孔隙率显著降低，同时超声促进了TiB的晶核形成和细化，通过空化和声流效应协同提升了材料的强度和延展性。Fan等人[[17]]在IN718的LDED过程中引入了二维超声振动策略，显著改善了材料的动态流动特性、宏观形态、致密性和微观结构演变，还减小了材料力学性能的各向异性。Wang等人[[18]]关于IN939合金制备的实验结果表明，增加超声振幅可以通过增强的空化、声流和机械效应将外延生长的柱状晶粒转变为随机取向的细小且近乎等轴的晶粒，此外超声振动还提高了材料在650°C下的抗拉强度和伸长率。总之，利用超声辅助激光定向能量沉积技术已成为改善激光增材制造部件微观结构和性能的有效方法。

近年来，采用过渡金属碳化物和氮化物作为增强相来制备金属基复合涂层成为研究热点。这些陶瓷相具有高熔点和极端的硬度，可以显著提升涂层的硬度、耐磨性和高温稳定性[[19], [20], [21]]。Zhang等人[[22]]通过激光粉末床熔融技术制备了WC增强型的IN718复合材料，添加2 wt.% WC后，孔隙率降至0.0022%，达到了近乎完全致密的状态，材料在保持延展性的同时表现出优异的力学性能。Shi等人[[23]]使用等离子转移弧焊制备了原位NbC增强型镍基复合涂层，结果显示NbC颗粒以及大量的Cr23C6和Cr7C3碳化物颗粒在γ-Ni基体中的分散显著提高了复合涂层的显微硬度和耐磨性。Chavan等人[[24]]通过激光粉末定向能量沉积技术制备了TiN增强型的IN718复合材料，TiN的添加使晶粒尺寸细化了46.7%，并显著提高了高温屈服强度。通过溶解氮引起的颗粒间强化、γ′/γ″剪切强化、固溶强化和位错强化的协同效应，实现了强度和延展性之间的理想平衡。然而，大多数现有研究主要集中在提升IN718涂层的力学和耐磨性能上，基于氮化物增强系统优化耐腐蚀性及其潜在调控机制仍需进一步研究。

在过渡金属氮化物中，氮化钽（TaN）因其极端的硬度、优异的化学稳定性和优越的高温抗氧化性能而被视为一种有前景的增强材料[[25], [26], [27]]。Rivera-Tello等人[[28]]采用直流磁控溅射技术在Ti6Al4V合金上制备了TaN/Ta多层复合涂层，该涂层表现出极高的硬度；摩擦学分析表明其具有良好的耐磨性。Vangara等人[[29]]使用激光表面纹理化和射频磁控溅射技术在Ti6Al4V合金上沉积了Ti/TaN多层复合涂层，涂层具有致密均匀的结构和良好的附着力，与基材相比，涂层的摩擦系数和磨损率分别降低了53.1%和84.8%。Yang等人[[30]]通过射频磁控溅射的交替输入功率制备了TaN多层涂层，这些涂层在硬度、附着力和耐腐蚀性方面表现出优异的性能。此外，Yang等人[[31]]指出，在AlTiTa高熵合金（HEA）中微量掺杂Ta元素形成的氧化层可以有效降低系统的氧化速率，从而增强抗氧化性。Song等人[[32]]利用激光定向能量沉积技术制备了纳米TiN增强型的Ti-45Al-8Nb合金，研究表明在氧化过程中原位生成的AlTa2相显著提高了合金的抗氧化和耐腐蚀性能。显然，将TaN引入合金体系是一种有望同时提升机械性能和抗氧化性的方法。然而，现有TaN涂层的脆性问题已被广泛报道[[27,33]]。此外，由于TaN与IN718合金之间的熔点和密度差异较大，熔池内容易发生严重的团聚现象，导致复合体系与基材之间难以形成良好的结合。因此，现有文献中关于利用激光增材制造制备TaN增强合金复合涂层的报道较少。换句话说，在LDED等非平衡凝固过程中，TaN颗粒的界面溶解行为和异质成核演变以及这些复杂变化对材料性能的影响机制仍有待进一步探索。有效调控这一界面冶金过程以实现涂层与基材之间的优异冶金结合，并确保沉淀相的均匀分散，是目前表面/界面科学和增材制造领域面临的重大挑战。

基于此，本研究成功利用激光定向能量沉积（LDED）技术制备了TaN/IN718复合涂层，并对不同TaN添加量的涂层进行了超声处理。通过EBSD、SEM-EDS和XRD等综合表征技术，系统研究了TaN含量和超声处理对涂层成形质量、微观结构形态和晶体结构的影响。本研究揭示了TaN在熔池中的溶解和沉淀行为，以及各种次要相之间的沉淀竞争机制。此外，通过对力学性能（如显微硬度和耐磨性）和电化学腐蚀性能的评估，深入分析了复合涂层的强化机制及其摩擦学和腐蚀行为。通过阐明所施加超声场的潜在机制，本研究阐明了超声处理对不同TaN含量复合涂层微观结构和性能的全面影响。最终，本研究旨在为外部场辅助制备TaN增强型镍基超合金涂层提供可靠的加工策略、实验范式和坚实的理论基础。

**样品制备**
本研究选择了尺寸为100 mm × 100 mm × 10 mm的Q235钢板（来自中国辽宁的Longda Steel公司）作为沉积基材。沉积前，先用角磨机对钢板表面进行机械抛光，然后用丙酮溶液清洗并干燥后备用。沉积所用的原材料为粒径在45至105 μm范围内的球形IN718合金粉末（Guifa Alloy Wear-resistant Materials公司）。

**宏观形态和元素扩散**
图3展示了每个样品涂层熔合线附近的宏观表面形态、三维表面地形和横截面光学显微镜（OM）图像。从图3(a)、(c)和(e)可以看出，仅用IN718粉末制备的涂层表现出明显的分层痕迹和表面球化现象。相应的三维地形图像显示了大量集中的红色突起，表明表面波动严重。

**微观结构演变**
在LDED涂层制备过程中，每个样品中的原始粉末材料完全熔化，在熔池内发生复杂的Marangoni对流，随后迅速冷却。局部过冷程度的不同导致不同区域形成不同的微观结构。根据前述的经典凝固理论，在涂层熔合线附近，基材作为高效的热沉，导致G/R比较大。

**结论**
本研究使用LDED技术在Q235基底上制备了不同TaN含量的TaN/IN718复合涂层，通过EBSD、SEM-EDS和XRD等技术对涂层的微观结构形态和晶体结构进行了表征，并测试了其力学性能（包括硬度和摩擦磨损行为）。同时进行了电化学测试以评估耐腐蚀性。此外，还对该系统引入了超声处理。

**作者贡献声明**
Tongxin Wang：撰写-原始草稿，方法学设计。
Huakai Mao：验证，正式分析。
Quanli Luo：可视化处理。
Long Huang：方法学设计。
Senao Gao：正式分析。
Mengzhao Li：监督指导。
Nian Liu：资源协调。
Zengyan Lv：实验研究。
Xiang Yao：实验研究。
Guodong Zhang：资金筹集。

**资金来源**
本工作的研究得到了国家自然科学基金（项目编号52371073）的财政支持。资金来源在研究设计、数据收集、分析或解释、手稿撰写或决定发表文章方面没有发挥任何作用。

**数据可用性**
数据将根据需求提供。