熔池热历史对激光熔覆Stellite 6+TiB2复合涂层微观组织演变和力学性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Influence of molten pool thermal history on microstructural evolution and mechanical properties of laser cladded stellite 6 + TiB2 composite coatings

　　

本研究解决了激光表面工程金属基复合材料（MMC）涂层中的一个关键挑战，即理解激光熔覆过程中热驱动的陶瓷增强相演变。硬质相的状态、稳定性和转变强烈受熔池温度控制，更重要的是受熔池寿命（熔池寿命）控制，后者决定了颗粒暴露于高温的持续时间。在此背景下，研究工作建立了激光熔覆Stellite 6和Stellite 6+TiB₂涂层（沉积在H13工具钢上）的加工条件、热历史与相演变之间的直接关联。研究人员采用红外高温计（IR pyrometer）进行实时热监测，捕获瞬态热循环，从而定量估计冷却速率和熔池寿命。结果表明，较高的扫描速度降低了线能量，导致熔池更小、寿命更短、冷却速率更高，而增加激光功率延长了熔池寿命，同时冷却速率相应降低。在复合涂层中，较低的激光功率有利于TiB₂和复杂碳化物的保留，而较高的激光功率由于长时间热暴露和增强扩散导致TiB₂分解并形成TiC析出相。这一转变显著影响力学性能，复合涂层表现出更高的硬度和耐磨性。值得注意的是，TiC主导的微观组织表现出最低的磨损率，突显了熔池寿命在调控MMC涂层相稳定性和功能性能中的关键作用。此外，研究人员使用纳米压痕测试（nano-indentation test）评估了涂层中这些单独相的力学性能。

论文解读文章

**研究背景与问题**

在现代工程系统中，机械部件常暴露于磨损、疲劳、蠕变和腐蚀等严苛服役环境，导致材料逐渐劣化和功能失效。表面失效是多数部件失效的起点，因此表面完整性成为决定部件可靠性和寿命的关键因素。表面工程技术（如激光熔覆）能够在不显著增加成本的前提下提升表面性能。激光熔覆作为一种高能量密度、精密可控的工艺，可制备致密、冶金结合的涂层，且热影响区窄、热变形小。Stellite 6（钴基超合金）因其优异的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，是常用的熔覆材料，其γ-Co基体中分布着M₂₃C₆和M₇C₃（主要为铬碳化物）硬质相。为进一步提升性能，常将陶瓷增强相（如TiB₂）引入金属基体，形成金属基复合材料（MMC）涂层。然而，现有研究主要依赖事后表征或经验参数优化，未能揭示激光熔覆过程中瞬态热现象（如熔池温度、熔池寿命）对增强相稳定性、分布及微观组织演变的影响。特别是，TiB₂在高温下可能分解形成TiC，这一相转变如何受熔池热历史调控，以及其对力学性能的影响尚不明确。因此，本研究旨在建立熔池热历史（冷却速率和熔池寿命）与增强相演变之间的定量关联，为激光熔覆MMC涂层的设计提供热驱动框架。

**研究内容与结论**

本研究采用实时热监测方法，利用红外高温计（IR pyrometer，采样率1000 Hz，波长1.6 μm）捕获激光熔覆过程中Stellite 6和Stellite 6+TiB₂（80:20重量比）涂层在H13工具钢基体上的熔池瞬态热循环。通过分析热信号，定量估计冷却速率和熔池寿命，并将其与加工参数（激光功率、扫描速度）关联。随后，对涂层进行X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）表征，以及显微硬度测试、纳米压痕（nano-indentation）测试和球盘式磨损测试。研究得出以下结论：熔池热历史直接决定了增强相的稳定性和演变路径；低激光功率有利于保留TiB₂，而高激光功率导致TiB₂分解并析出TiC，后者显著提升硬度和耐磨性；熔池寿命是控制相转变和性能的关键参数。该论文发表在《Surface and Coatings Technology》。

**关键技术方法**

研究人员采用以下主要关键技术方法：1) 实时热监测：使用红外高温计（IR pyrometer）聚焦于熔池中心，以1000 Hz采样率记录温度-时间曲线，提取峰值温度和冷却阶段特征，计算冷却速率（从峰值温度到基体温度的斜率）和熔池寿命（温度高于液相线的时间）。2) 相组成分析：通过X射线衍射（XRD）检测不同参数下涂层的物相，结合Rietveld精修或半定量方法分析TiB₂、TiC、碳化物等相含量变化。3) 微观组织表征：利用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）观察涂层截面形貌、增强相分布及界面特征。4) 力学性能评估：使用显微硬度计测量截面硬度（载荷200 g），纳米压痕测试测量各相的硬度和弹性模量，以及球盘式磨损试验（GCr15球，载荷20 N，滑动距离1000 m）评估磨损率和磨损机制。样本来源于印度理工学院海德拉巴分校实验室，使用H13工具钢基体（50×50×8 mm³），无临床样本队列。

**研究结果**

**Thermal profile of the molten pool**：通过红外高温计获取的典型热循环曲线显示，熔池温度经历快速升温阶段（AB）和冷却阶段（BE）。冷却速率通过线性拟合峰值温度（B点）到基体温度（E点）之间的斜率计算，熔池寿命定义为温度高于Co基合金液相线（约1300°C）的持续时间。研究发现，增加扫描速度（从10 mm/s到20 mm/s）使线能量降低30%，导致熔池体积减小、寿命缩短（从约120 ms降至约60 ms）、冷却速率升高（从约200 K/s升至约400 K/s）；增加激光功率（从400 W到600 W）则延长熔池寿命（从约80 ms升至约150 ms）、降低冷却速率（从约350 K/s降至约200 K/s）。这些结果建立了加工参数与热历史的定量关系。

**Phase evolution**：通过XRD分析，纯Stellite 6涂层主要物相为γ-Co固溶体、M₂₃C₆和M₇C₃碳化物。对于Stellite 6+TiB₂复合涂层，在低激光功率（400 W）条件下，XRD谱图中检测到明显的TiB₂衍射峰，以及Co基体相和碳化物相；而在高激光功率（600 W）条件下，TiB₂衍射峰减弱或消失，取而代之出现TiC衍射峰。这表明高功率下熔池寿命延长，TiB₂颗粒在高温下分解，Ti和B扩散进入熔体，Ti与C（来自Stellite 6基体中的碳）反应析出TiC。实验证实熔池寿命是控制TiB₂向TiC转变的关键热参数。

**Microstructural characterization**：SEM观察显示，低激光功率（400 W）复合涂层中，TiB₂颗粒以不规则形态分布在Co基体中，周围有少量细小碳化物；随着激光功率增加至500 W，部分TiB₂出现溶解痕迹，并开始形成细小的TiC颗粒；当功率升高至600 W时，TiB₂完全溶解，代之以大量细小弥散的TiC析出相，且基体中碳化物（如M₂₃C₆）也呈现细化趋势。高扫描速度（20 mm/s）下，由于快速冷却，TiB₂保留较多但存在一定团聚；低扫描速度（10 mm/s）下，熔池寿命延长，促进了TiB₂分解和TiC均匀分布。EDS元素面分布进一步证实了Ti和B的再分布行为。

**Mechanical properties**：显微硬度测试表明，纯Stellite 6涂层硬度约为450 HV_0.2，而Stellite 6+TiB₂复合涂层硬度显著提高，达到600–750 HV_0.2，且随激光功率增加（从400 W到600 W）硬度先升高后略有下降，峰值出现在500 W（TiC+TiB₂混合相）。纳米压痕测试对单个相进行测量，结果显示TiC相的硬度约为25 GPa，弹性模量约450 GPa；TiB₂相硬度约20 GPa，弹性模量约400 GPa；Co基体硬度约5 GPa。这表明TiC相比TiB₂具有更高的硬度，但脆性也可能增加。复合涂层的整体硬度介于增强相与基体之间，受增强相体积分数和分布影响。

**Wear behavior**：球盘式磨损试验结果显示，纯Stellite 6涂层的磨损率约为3.5×10^-5 mm³/（N·m）；添加TiB₂后，磨损率降低至1.5–2.0×10^-5 mm³/（N·m）。其中，TiC主导的涂层（高激光功率处理）表现出最低的磨损率（约1.0×10^-5 mm³/（N·m）），比TiB₂主导的涂层（低激光功率）低约30%。磨损表面SEM分析显示，纯Stellite 6涂层主要发生粘着磨损和塑性变形；复合涂层则呈现磨粒磨损特征，TiC颗粒有效抵抗了磨粒的切削作用。研究人员认为，TiC的高硬度以及与基体的良好界面结合是其提高耐磨性的主要原因。

**讨论与结论**

讨论部分指出，熔池寿命是决定TiB₂稳定性及相转变的核心参数，这一发现统一解释了不同加工参数下微观组织差异的根源。低熔池寿命（高扫描速度、低激光功率）有利于保留TiB₂，但可能因分散不均匀而影响性能；高熔池寿命（低扫描速度、高激光功率）促进TiB₂分解和TiC析出，形成更硬、更耐磨的复合组织。然而，过长的熔池寿命可能导致增强相过度溶解，削弱复合效果。因此，通过调节加工参数精确控制熔池寿命，可实现增强相的定向设计。研究结论部分翻译如下：在本研究中，分析了激光加工参数对沉积在H13工具钢上的激光熔覆Stellite 6和Stellite 6+TiB₂复合涂层微观组织、相组成、硬度和磨损行为的影响。此外，采用包含红外高温计（IR pyrometer）的实时监测系统捕获熔覆过程中熔池的热历史。根据记录的热信号估算了冷却速率和熔池寿命，并建立了与涂层特性的关联。研究发现，熔池寿命是控制TiB₂稳定性和TiC析出的关键热参数。复合涂层中，TiC主导的微观组织表现出优异的硬度和耐磨性，证实了通过热历史调控增强相演变的有效性。本研究为激光熔覆MMC涂层的热驱动设计提供了定量依据。