利用超声波辅助激光熔覆技术在IN738超级合金上制备TiNiCrMoW–ZrB?高熵复合涂层：微观结构、残余应力及耐磨性研究

《Materials Chemistry and Physics》：Ultrasonic-assisted laser cladding of TiNiCrMoW–ZrB 2 high-entropy composite coatings on IN738 superalloy: Microstructure, residual stress, and erosion resistance

超声辅助激光熔覆制备的TiNiCrMoW-ZrB2高熵合金涂层在IN738合金基体上表现出更优的微观结构（BCC/B2相主导，晶粒细化）、压缩残余应力（-169 MPa）及抗侵蚀性（60°冲击角下磨损疤痕较浅）。通过调节激光参数和超声能量，有效抑制稀释并优化ZrB2分散，验证了超声振动对熔池凝固行为及涂层性能的协同强化作用。

　　

Hassan Dargi|Reza Taghiabadi|Morteza Saghafi Yazdi|Morteza Taheri|R. Vaira Vignesh

伊朗卡兹温伊玛目霍梅尼国际大学材料科学与冶金系

摘要

本研究探讨了在IN738超级合金基底上采用超声辅助激光熔覆TiNiCrMoW–ZrB₂高熵复合涂层的方法，重点研究了声能对微观结构、残余应力及抗侵蚀性能的影响。涂层采用脉冲Nd:YAG激光系统制备，并优化了工艺参数以减少稀释和缺陷。XRD和EBSD分析表明，在超声辅助下形成的微观结构以BCC/B2相为主，γ-FCC相减少，同时晶粒更加均匀，ZrB₂分散更加均匀。与未采用超声辅助的样品（硬度约为647 HV）相比，超声辅助涂层具有更高的硬度（约为782 HV），这主要归因于晶粒细化及固溶强化效应。残余应力分析显示，传统涂层中的应力为拉伸应力（+96 MPa），而超声辅助涂层中的应力为压缩应力（-169 MPa），从而提高了抗裂性和机械稳定性。在25°C下进行不同冲击角度（30–90°）的侵蚀测试发现，超声辅助涂层的重量损失显著减少，磨损痕迹也更浅，尤其是在60°这一关键角度下，犁切效应更为明显。这些结果突显了高熵合金化、ZrB₂增强作用以及超声振动在调控微观结构和性能方面的协同效应，为开发下一代燃气轮机防护涂层提供了有效策略。

章节摘录

引言

镍基超级合金，尤其是Inconel 738（IN738），因其优异的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化稳定性而被广泛应用于燃气轮机的热部件中[1]。然而，在高温、氧化、热腐蚀和严重磨损等苛刻使用条件下，这些合金的表面劣化不可避免，导致涡轮叶片性能下降和使用寿命缩短。为了解决这一问题

材料与制备

实验选用了厚度为2 mm、尺寸为20×15 mm²的IN738超级合金试样作为基底材料。IN738的化学成分见表1。熔覆前，基底先经过1200目SiC砂纸机械打磨，然后用乙醇进行超声清洗以去除表面污染物。

涂层材料为等原子比的高熵合金（Ti、Ni、Cr、Mo、W各占20原子%），并添加了5 wt.%的ZrB₂颗粒作为增强相。

热力学相预测

根据高熵合金（HEA）的形成理论，化学成分和加工温度是决定最终相组成的关键因素。因此，激光熔覆（LC）过程中的参数显著影响相变过程及固溶结构的稳定性。高熵合金的相形成预测可通过应用经验性相形成规则来实现，这些规则主要基于关键的热力学和原子参数。

结论

本研究通过脉冲Nd:YAG激光熔覆技术在IN738超级合金上成功制备了TiNiCrMoW–ZrB₂高熵复合涂层，研究了有无超声辅助对熔池凝固行为、微观结构演变、残余应力生成及抗侵蚀性能的影响。研究结果基于经典凝固理论、强化机制及侵蚀磨损模型进行总结。

作者贡献声明

R. Vaira Vignesh：数据可视化、软件开发、资源管理、正式数据分析。Hassan Dargi：初稿撰写、结果验证、资源协调、数据管理。Morteza Saghafi Yazdi：实验方法设计、正式数据分析、数据管理。Morteza Taheri：初稿撰写、软件应用、实验设计、概念构建。Reza Taghiabadi：审稿与编辑、项目监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者声明无需特别致谢。