《Surface and Coatings Technology》：Tungsten particle reinforced NiCrMoNb alloy by directed energy deposition: A study on simultaneous tribological and electrochemical corrosion properties
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纳米钨增强NiCrMoNb复合涂层通过定向能量沉积制备，研究显示添加12 wt%纳米钨可使涂层硬度提升9%，磨损质量损失减少40%，静摩擦系数降低9%，电化学腐蚀阻抗增加286%。该技术有效调控层错能并优化微观结构，为高强耐蚀镍基合金开发提供新思路。
潘瑞鹏|金建波|雷建波|韩金虎|顾振杰|方燕|贾晓辉
天津天宫大学激光技术研究所，中国天津300387
摘要
NiCrMoNb固溶合金以其高强度和卓越的耐腐蚀性而闻名，在航空航天、核电等行业中得到广泛应用。然而，随着生产工艺的不断进步和技术的发展，探索提高其硬度、耐磨性和电化学耐腐蚀性的新方法变得至关重要。在本研究中，通过定向能量沉积技术制备了添加了0%、6%和12%纳米钨（nano-W）的NiCrMoNb复合涂层。微观结构主要由γ-Ni基体构成，纳米钨发挥了双重作用：一是通过固溶强化作用，二是促进了球形Laves相的析出。纳米钨的引入降低了层错能，从而扩大了层错范围并促进了位错增殖。与纯NiCrMoNb涂层相比，添加12%纳米钨的涂层表现出更强的强化效果，微观硬度提高了9%，磨损质量损失减少了40%，稳态摩擦系数降低了9%。此外，电化学测试显示其耐腐蚀性显著增强，极化电阻提高了286%，这凸显了W/NiCrMoNb复合涂层在恶劣环境中的优越性能。本研究为航空航天和精密制造行业对高性能镍基合金日益增长的需求提供了宝贵的见解。
引言
NiCrMoNb合金（商业名称为Inconel 625）是一类典型的固溶强化镍基超合金，具有高温强度、耐腐蚀性和微观结构稳定性[1]。尽管这些合金在航空航天和核电领域得到广泛应用，但在深海和深空探索等极端热机械应力及腐蚀环境下，其性能常常受到限制[2][3]。这一限制促使人们转向使用NiCrMoNb基复合材料。通过将增强材料融入镍基体中，可以同时提升整体结构完整性和表面性能，为满足下一代工程组件的严苛要求提供了可行的途径[4]。
为了充分发挥这些先进复合材料的潜力，定向能量沉积（DED）技术应运而生[5]。与传统铸造方法相比，DED技术具有更快的冷却速度、更短的交货时间，并且无需复杂模具即可实现接近净形的加工，从而最大化材料利用率[6]。由于其灵活性和高度自动化特性，DED技术促进了航空航天、汽车和核电等行业中高价值组件的快速原型制作和局部修复[7][8]。鉴于对高性能防护涂层和结构元件需求的不断增加，对DED处理后的NiCrMoNb复合材料进行严格研究对于验证其在极端服役环境下的长期可靠性至关重要。
近期研究探索了多种通过增材制造和增强方式来强化NiCrMoNb合金的方法。潘等人[9]采用LPBF技术制备了WC（5%、10%）/NiCrMoNb复合材料，并研究了其微观结构和力学性能的变化。结果表明，样品的屈服强度分别达到了763.2 MPa和1038.7 MPa，材料力学性能显著提升；然而，LPBF技术的工业化应用受到严格工艺要求和复杂生产流程的制约。张等人[10]将纳米CeO?颗粒掺入Ni625合金粉末中，发现CeO?的添加有效促进了异质形核，消除了液化裂纹，细化了晶粒尺寸，并显著提高了复合涂层的耐腐蚀性和耐磨性。不过，纳米CeO?颗粒的成本相对较高，会增加工业生产的总体成本。Ashraf Bakkar等人[11]研究了TiC（25%、50%、70%体积分数）对NiCrMoNb耐磨性和耐腐蚀性的影响。虽然较高比例的TiC显著增强了耐磨性和硬度，但含50%和70% TiC的复合材料却表现出加速的腐蚀速率和减弱的钝化动力学。这种化学稳定性的下降主要归因于TiC颗粒引起的电偶效应。总体而言，尽管NiCrMoNb合金的增强技术取得了进展，但在平衡力学性能、耐腐蚀性和绿色生产方面仍存在挑战。
NiCrMoNb固溶合金对许多合金元素具有良好的溶解性，是一种典型的固溶强化合金[12]。王等人[13]利用高通量密度泛函理论计算并评估了35种元素对Ni的固溶强化效应。研究发现，在高温应用中，综合考虑合金元素的强化能力和溶解性，钨（W）元素能够对Ni产生有效的“应力-应变-结构”效应，使其成为NiCrMoNb固溶合金的理想强化相。杨等人[14]研究了不同合金元素对镍基合金FCC相层错能（SFE）的影响，发现W元素降低了SFE，促进了高密度层错（SFs）和Lomer-Cottrell位错的生成，最终导致了加工硬化。除了机械性能外，W在强碱性和盐介质中还表现出显著的化学惰性[15]。赖等人[16]将W颗粒掺入316L合金中，提升了其机械性能和抗腐蚀性。W/316L复合材料在3.5% NaCl溶液中的耐腐蚀性显著提高，主要得益于形成了保护性的WO?钝化膜。然而，纳米级W添加如何影响NiCrMoNb合金的微观结构演变和表面完整性（特别是摩擦学和电化学稳定性）尚未得到系统研究。
因此，本文采用DED技术制备了W（0%、6%、12%）/NiCrMoNb复合材料样品，并对其性能进行了全面分析和深入讨论，包括微观结构、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，以及强化机制的研究。这些结果为设计具有定制电化学和摩擦学特性的涂层提供了战略参考，以满足航空航天和精密制造领域对高性能镍基合金的不断增长的需求。
材料
本实验使用了两种粉末：NiCrMoNb合金（图1(a)）和纳米钨粉末（图1(b)）。NiCrMoNb合金粉末由天津铸造金科技有限公司提供，粒径分布范围为50–150 μm；纳米钨粉末由上海芒果纳米科技有限公司提供，粒径约为50 nm。
为了解决纳米钨粉末的聚集问题（图1(b)），
相组成
图3(a)展示了三种沉积层的XRD图谱。结果显示γ-Ni和Cr为主要相，在添加了6%和12%纳米钨的涂层中还检测到了W相。如图3(b)所示，主要衍射峰分别对应于(200)面和(111)面。值得注意的是，随着纳米钨含量的增加，(111)和(200) γ-Ni峰的2θ角度明显降低。
在DED过程中，纳米钨颗粒会
结论
通过DED技术制备了W/NiCrMoNb复合涂层，以研究纳米钨颗粒对相组成、微观结构、微观硬度、耐磨性和电化学腐蚀行为的影响。本研究的主要发现如下：
(1) γ-Ni固溶体构成了W/NiCrMoNb涂层的主要基体。随着纳米钨含量的增加，XRD峰向更低的2θ角度系统性偏移，表明发生了结构变化。
作者贡献声明
潘瑞鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写初稿，实验研究，数据分析。
金建波：项目指导，方法论设计。
雷建波：资源协调，数据管理，概念构思。
韩金虎：软件应用，方法论设计，数据分析。
顾振杰：项目管理。
方燕：结果验证，项目监督。
伦理批准
不适用。
资助
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4606000）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
