《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of electromagnetic stirring on solidification behavior, microstructure refinement, and wear performance of AlCoCrFeNi–TiC composite coatings fabricated by laser cladding
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本研究采用激光熔覆技术在镍基高温合金基体上制备了AlCoCrFeNi–5 wt.% TiC复合涂层，分别在有、无外加静态横向磁场（0.3 T）条件下进行。系统研究了磁场对物相组成、组织演变、稀释行为、显微硬度及干滑动磨损性能的影响。XRD和EBSD分析表明，磁
本研究采用激光熔覆技术在镍基高温合金基体上制备了AlCoCrFeNi–5 wt.% TiC复合涂层，分别在有、无外加静态横向磁场（0.3 T）条件下进行。系统研究了磁场对物相组成、组织演变、稀释行为、显微硬度及干滑动磨损性能的影响。XRD和EBSD分析表明，磁场辅助促进了晶粒细化，抑制了晶体学织构，并降低了局部取向差。磁场辅助涂层表现出比无磁场辅助涂层更低的稀释率（约13% vs 约21%），且组织更加致密。显微硬度分布显示磁场辅助涂层硬度略高且更均匀。摩擦学结果表明，与基体和无磁场制备的涂层相比，磁场辅助涂层的摩擦波动减小，磨损率显著降低。研究结果揭示了电磁搅拌在调控AlCoCrFeNi–TiC复合涂层中增强相辅助凝固、相稳定性及组织均匀化方面的关键作用。
一、研究背景与意义
在极端磨损、腐蚀和高温服役条件下，表面工程对提升关键部件的使用寿命和性能具有重要作用。传统涂层材料如镍基或钴基高温合金及金属碳化物往往面临硬度与韧性之间的权衡，且可能存在界面结合不良或元素偏析等问题。高熵合金（HEAs）因其多主元设计带来的高构型熵效应，能够稳定简单固溶体相（如FCC、BCC）而非金属间化合物，从而赋予材料高强度、高硬度、优异热稳定性、良好耐磨耐蚀性等综合性能。AlCoCrFeNi合金系因其优异力学性能和可调相组成成为涂层应用的模型体系，高Al含量有利于形成硬质有序BCC（B2）相，提高强度和耐磨性。为进一步提升表面性能，将TiC等硬质陶瓷增强相引入HEA基体是成熟策略。激光熔覆（LC）具有能量输入精确可控、稀释率低、冷却速率快（103–10? K/s）等优势，但其局部高热输入和陡峭温度梯度也带来粗大柱状晶生长、元素偏析、热裂纹和气孔等挑战。外加磁场辅助激光熔覆因非接触、清洁及对熔池动力学的高效调控而受到关注。导电熔池在磁场中受洛伦兹力作用产生电磁搅拌（EMS），可增强流体对流、促进温度和溶质均匀化、破碎枝晶、增加有效过冷度，从而促进晶粒细化和柱状晶-等轴晶转变（CET）。然而，磁场诱导熔流调控与AlCoCrFeNi–TiC复合涂层中增强相辅助凝固之间的内在关系尚不清楚，TiC颗粒与磁场修饰熔池动力学对枝晶生长、晶体学织构、BCC/B2相稳定性、元素再分布及涂层稀释的同时影响尚未系统阐明。
二、研究内容与结论
研究人员通过对比有无0.3 T静态横向磁场条件下制备的AlCoCrFeNi–5 wt.% TiC涂层，系统研究了磁场对物相组成、晶体学特征、涂层稀释、硬度和干滑动磨损性能的影响，建立了磁场诱导熔体动力学与HEA复合涂层性能之间的关系。主要结论包括：磁场辅助改变了凝固行为，促进柱状晶向等轴晶转变，平均晶粒尺寸从约8.8 μm降至约5.4 μm；磁场将稀释率从约21%降至约13%，消除了裂纹和气孔，增强了涂层与IN625基体的冶金结合；两种复合涂层硬度均显著高于IN625基体（约340 HV），MF-OFF和MF-ON涂层平均硬度分别约为709 HV和834 HV，MF-ON涂层硬度提高和均匀性改善归因于晶粒细化和局部取向差降低；磁场辅助提升了摩擦学性能，MF-ON涂层表现出最低磨损率、减小磨损轨道损伤和更稳定的摩擦行为。
三、关键技术方法
研究人员采用气体雾化AlCoCrFeNi HEA粉末（纯度>99.9%）与商业角状TiC陶瓷粉末（纯度>99.5%）球磨6 h混合制备复合粉末，平均粒径约45 μm。基体为铸造镍基高温合金IN625（100×50×10 mm3）。采用连续波光纤激光系统（IPG YLS-2000，2 kW，波长1070 nm）配四轴CNC工作台进行激光熔覆，同轴送粉，激光功率1200 W，光斑直径3.0 mm，扫描速度8 mm/s，送粉率15 g/min，搭接率50%。磁场由水冷电磁铁对产生，强度0.3 T，方向垂直于激光扫描方向和基体表面。采用XRD、SEM/EDS、TEM/HRTEM、EBSD进行组织与相表征，维氏显微硬度计（500 gf，15 s）测硬度，销-盘式摩擦磨损试验机（WC–6 wt.% Co对偶球，载荷30 N，滑动速度0.2 m/s，总滑动距离1000 m）评价干滑动磨损性能，三维光学轮廓仪测磨损轨道，SEM/EDS及Raman光谱分析磨损表面。
四、研究结果
3.1 XRD相分析：XRD结果表明MF-OFF涂层以BCC基相为主，包含有序B2相和无序A2固溶体，二者因晶体结构相同导致基础衍射峰重叠，B2相识别依赖（100）B2超晶格反射；未检测到明显FCC衍射峰，表明较高Al浓度促进了快速凝固过程中BCC/B2结构的稳定化；检测到弱TiC衍射峰。MF-ON涂层衍射峰出现轻微变化，峰宽化可能与晶粒细化和晶格畸变有关，峰位轻微变化可能与溶质再分布和残余应变引起的晶格参数变化有关，衍射峰相对强度降低表明择优取向可能减弱，与EBSD观察到的织构减弱一致。磁场未产生明显主相组成变化，但可能影响晶体学特征和凝固行为。
3.2 组织分析：MF-OFF涂层厚度约944 μm，MF-ON涂层约795 μm；熔宽从4.0 mm略增至4.2 mm，熔高从616 μm略降至612 μm，熔深从328 μm大幅降至183 μm（降低约44.2%），总熔区深度从944 μm降至795 μm，稀释率从21%降至13%。MF-OFF涂层含有微裂纹和孤立气孔，主要沿枝晶间分布；MF-ON涂层组织更致密均匀，未观察到明显裂纹或气孔。TEM/EDS分析表征了TiC/HEA界面局部结构和元素分布，P1点富Ti和C，P3点主要为AlCoCrFeNi基体元素，P2点反映界面区域局部元素贡献。激光熔覆过程中熔池高温可能促进TiC部分溶解，随后快速冷却促进富Ti和C碳化物再析出，保留的TiC颗粒和新析出碳化物可作为异质形核位点限制晶粒生长，促进组织细化。示意图总结了磁场诱导组织演变机制：无磁场时定向热提取导致高G和较高G/R比，促进柱状和胞状枝晶形成；施加磁场后，激光诱导热毛细对流与磁场诱导磁流体动力学效应相互作用调控熔池动力学，洛伦兹力相关效应调节现有熔流行为，影响传热、溶质再分布、枝晶生长和凝固行为，导致组织细化和均匀化。
3.3 凝固行为与枝晶形貌：MF-OFF涂层以胞状和柱状枝晶为主，仅在涂层上部区域有限形成等轴晶；MF-ON涂层在整个涂层厚度包括近基体界面区域均呈现以等轴枝晶为主的形貌。MF-OFF涂层中观察到连续裂纹，归因于凝固热裂纹，凝固末期热收缩在陡峭温度梯度下产生拉应力，枝晶间溶质偏析和粗大柱状枝晶结构促进连续力学薄弱枝晶间通道形成，剩余液体不足以补缩时拉应力积累导致裂纹萌生扩展；MF-ON涂层更细小的等轴组织和减少的元素偏析提供了更均匀的凝固结构，中断了连续裂纹扩展路径。枝晶/胞晶特征间距从MF-OFF的12.9 μm降至MF-ON的7.4 μm，降低42%。EDS点分析表明MF-OFF涂层枝晶核与枝晶间区域成分差异更明显，尤其Al和Ni相对于Cr、Fe、Co的浓度差异，表明凝固过程中较强的微观偏析；MF-ON涂层枝晶和枝晶间区域元素组成更接近，溶质分布更均匀，元素偏析系数更接近1。50%搭接率引入的重复热循环影响搭接区凝固组织，搭接区呈现从较粗柱状枝晶向更细等轴晶的转变，与后续激光道对已凝固枝晶的部分重熔及修改后局部热条件下的再凝固一致。
3.4 EBSD分析：MF-OFF涂层呈现由较粗柱状晶和等轴晶组成的异质晶粒结构，MF-ON涂层呈现更细的以等轴晶为主的组织。平均晶粒尺寸从MF-OFF的8.8 μm降至MF-ON的5.4 μm，降低约38.6%；晶粒短轴与长轴比从约1:3变为接近1:1。MF-OFF涂层HAGB占27%、LAGB占73%，MF-ON涂层HAGB占77%、LAGB占23%，HAGB分数增加50个百分点（相对增加约185.2%），LAGB分数降低50个百分点（相对降低约68.5%）。极图显示MF-OFF涂层存在明显择优取向，MF-ON涂层取向分布更分散、织构更弱。平均KAM值从MF-OFF的1.7°降至MF-ON的0.9°，降低约47.1%，表明局部取向梯度更小，与更低的几何必需位错（GND）密度一致。搭接区EBSD取向图显示相邻区域为拉长晶粒，而搭接区呈现更细更等轴的晶粒形貌，与连续激光道产生的重复热循环相关。
3.5 稀释率分析：MF-ON涂层稀释率约13.0±0.8%，显著低于MF-OFF涂层的21.0±1.2%。稀释率降低归因于电磁搅拌增强的熔池稳定性和更可控的熔流有效抑制了基体过度熔化。MF-OFF涂层稀释率较高，EDS面扫描检测到基体合金元素尤其Nb和Mo向涂层明显扩散。约13%的稀释率处于激光熔覆涂层10–15%的最佳范围内，在成分完整性和充分冶金结合之间实现了有利平衡。
3.6 显微硬度分析：MF-OFF和MF-ON涂层平均表面显微硬度分别约为709 HV和834 HV，均显著高于IN625基体（约340 HV）。MF-OFF涂层在涂层-基体界面附近硬度波动较大，归因于波浪形界面形貌和涂层与基体间不均匀稀释。MF-ON涂层硬度略高且更均匀，归因于晶粒细化和细等轴晶主导，同时与稀释率降低（13.0±0.8% vs 21.0±1.2%）和成分完整性改善部分相关。根据Hall–Petch关系，晶粒尺寸减小增强了对位错运动的阻力，进一步提高硬度。
3.7 摩擦磨损行为：IN625基体在整个滑动过程中表现出最高的摩擦不稳定性，平均COF较低（约0.58）但硬度低、塑性顺应性高，促进严重塑性变形、粘着转移和材料去除。MF-OFF涂层在早期滑动阶段出现明显波动，与粗大胞状/柱状枝晶异质组织、残余应力和局部弱区相关。MF-ON涂层表现出最稳定的COF演变，波动显著减小，归因于细化的等轴晶组织和增强的组织均匀性。磨损定量结果显示，IN625基体体积损失最大（约0.42 mm3），磨损率最高（约1.4×10?? mm3·N?1·m?1）；MF-OFF涂层磨损率降至约7.0×10?? mm3·N?1·m?1；MF-ON涂层磨损率最低（约5.0×10?? mm3·N?1·m?1）。磨损轨道表征显示IN625基体磨损宽度最大（约1.65 mm）、深度最大（约42 μm），MF-OFF涂层磨损宽度约1.20 mm、深度约28 μm，MF-ON涂层磨损轨道最窄（约0.90 mm）、深度最浅（约18 μm）。SEM/EDS分析表明IN625基体经历严重粘着和磨粒磨损，伴随深度犁沟、广泛塑性变形和大面积剥落，磨损表面氧富集表明强烈摩擦氧化，但氧化层力学不稳定反复开裂剥落；MF-OFF涂层磨损损伤减轻，磨损轨道内局部观察到氧富集区域， discontinuous氧化物斑块表明部分保护性摩擦氧化层形成，但异质组织和残余应力集中促进氧化膜局部断裂；MF-ON涂层磨损表面最光滑，犁沟较浅，粘着损伤有限，涂层元素和氧分布较均匀，Raman光谱进一步证实磨损表面含氧化物产物特征振动带，支持摩擦化学产物形成保护性表面层。磨损机制示意图表明IN625基体以严重粘着磨损为主伴磨粒犁削；MF-OFF涂层虽耐磨性改善但组织异质性和残余应力集中促进局部裂纹萌生、犁沟形成、氧化膜碎裂和剥落；MF-ON涂层得益于晶粒细化、均匀分布TiC增强相和稳定连续摩擦氧化层的协同效应，抑制塑性变形、减少裂纹扩展和碎屑产生，有效减少WC–Co对偶球与涂层表面直接接触，实现从严重磨损向轻微磨粒-氧化磨损转变。
五、讨论与结论
讨论部分指出，磁场辅助激光熔覆过程中，熔池流动主要驱动力为激光诱导热梯度和马兰戈尼对流，导电熔池中温度梯度和热电效应可产生感应电流，感应电流与外加静磁场相互作用产生洛伦兹力相关效应，调节现有熔流行为而非直接产生对流。静磁场并非作为独立搅拌源直接作用，而是通过磁流体动力学相互作用与现有对流系统耦合影响熔池。常规MHD效应和热电磁流体动力学（TEMHD）效应的相对贡献无法基于本实验测量明确区分，因此观察到的晶粒形貌、晶体学织构、涂层稀释和缺陷形成变化以磁场辅助处理的实验观察效应解释，未将其 exclusively 归因于特定电磁流机制。晶粒细化和织构修改归因于马兰戈尼驱动熔体对流、磁场诱导流动修改和改变凝固条件的综合效应。
研究结论：采用激光熔覆技术分别在有、无0.3 T静态横向磁场条件下成功制备了AlCoCrFeNi–5 wt.% TiC复合涂层。磁场辅助改变了凝固行为，促进柱状晶向等轴晶转变，平均晶粒尺寸从约8.8 μm降至约5.4 μm。磁场应用通过将稀释率从约21%降至约13%并消除裂纹和气孔改善了涂层完整性，增强了涂层与IN625基体间的冶金结合。两种复合涂层硬度均显著高于IN625基体（约340 HV），MF-OFF和MF-ON涂层平均硬度分别约为709 HV和834 HV，MF-ON涂层硬度提高和均匀性改善归因于晶粒细化和局部取向差降低。磁场辅助增强了复合涂层摩擦学性能，与MF-OFF涂层相比，MF-ON涂层表现出最低磨损率、减小磨损轨道损伤和更稳定的摩擦行为，证明了磁场诱导组织修改的有益效果。
