激光熔覆AlCoCrFeNi高熵合金涂层与TiC/AlCoCrFeNi复合涂层的微观结构与磨损性能对比研究

《Coatings》：Comparative Study on Microstructures and Wear Properties of Laser-Clad AlCoCrFeNi High-Entropy Alloy Coating and TiC/AlCoCrFeNi Composite Coating

　　

火力发电厂中的钢制部件易受到煤粉高速冲击引起的严重磨损和壁厚减薄，这显著降低了其使用寿命和结构完整性。为解决这一问题，研究人员通过激光熔覆制备了TiC增强AlCoCrFeNi高熵合金（HEA）复合涂层，旨在显著提高这些关键部件的耐磨性。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和干滑动磨损试验，系统研究了涂层的相组成、微观结构、显微硬度和摩擦学行为。结果表明，两种涂层均具有致密的微观结构，并与基体形成可靠的冶金结合。AlCoCrFeNi涂层由单一体心立方（BCC）固溶体相组成，而TiC/AlCoCrFeNi复合涂层包含BCC相和TiC陶瓷相，无脆性金属间化合物。TiC/AlCoCrFeNi复合涂层的平均显微硬度为823 HV_0.3，比AlCoCrFeNi涂层（443 HV_0.3）提高了85.66%。在相同磨损试验条件下，AlCoCrFeNi涂层的质量损失为31.4 mg，体积磨损率为24 × 10^-3 mm³/min，而TiC/AlCoCrFeNi复合涂层的质量损失为15.6 mg，磨损率为13 × 10^-3 mm³/min，分别降低了约50.32%和45.83%。AlCoCrFeNi涂层的磨损机制以严重磨粒磨损和粘着磨损为主，而TiC的加入将磨损机制转变为轻度磨粒磨损和氧化磨损。TiC颗粒的加入有效提高了显微硬度并降低了质量损失，从而显著改善了激光熔覆AlCoCrFeNi涂层的磨损性能。该研究为TiC/AlCoCrFeNi复合涂层在火力发电机组耐磨部件上的工程应用提供了实验数据和理论支持。

火力发电厂中的关键部件（如锅炉管道和风机叶轮）长期在煤粉高速冲击、磨粒磨损和循环交变载荷的极端工况下运行，磨损失效是设备的主要失效模式，导致壁厚减薄、管道泄漏甚至爆管，引发非计划停机，大幅增加运维成本。传统表面改性技术中，激光熔覆因能量密度高、凝固快、能与基体形成冶金结合等优势而被广泛采用，但常规镍基、钴基和铁基合金涂层在高温侵蚀和热疲劳条件下难以兼顾硬度、韧性和抗氧化性，易发生剥落，寿命短。高熵合金（HEA）作为多主元合金，凭借高混合熵、迟滞扩散、严重晶格畸变和鸡尾酒效应，倾向形成简单固溶体相，抑制脆性金属间化合物，兼具高硬度、优异热稳定性、耐腐蚀性和强韧性平衡，成为极具潜力的涂层材料。其中，AlCoCrFeNi HEA因成分简单、微观结构和力学性能可调而备受关注，但其激光熔覆涂层主要由BCC固溶体相组成，强化机制仅依赖固溶强化和细晶强化，显微硬度较低，在煤粉侵蚀和干摩擦下易发生塑性变形和表面剥落，无法满足长寿命抗磨要求。引入硬质陶瓷颗粒形成金属基复合涂层是提升硬度与耐磨性的有效策略，但WC颗粒在高温熔池中易分解脱碳，生成脆性富W碳化物（如W₂C和(W,Cr)₂C）导致界面脆化，而TiC具有超高硬度、高熔点、优异耐磨性和化学惰性，且与多主元金属基体润湿性好，能在激光沉积过程中形成牢固的冶金界面。现有研究多采用原位合成引入TiC，难以精确调控体积分数，易导致脆性相析出。为此，本研究通过机械混合将50%质量分数的TiC颗粒与AlCoCrFeNi粉末结合，在Q235钢基体上通过激光熔覆制备TiC/AlCoCrFeNi复合涂层，系统研究TiC添加对相组成、微观结构、显微硬度和摩擦学性能的影响，并分析磨损失效演化机制，为TiC/AlCoCrFeNi复合涂层在火力发电厂耐磨部件上的工程应用提供理论依据和技术支撑。该论文发表在《Coatings》。

研究人员采用的主要技术方法包括：选用商用Q235钢板（宝钢股份有限公司）为基体，气雾化球形AlCoCrFeNi高熵合金粉末（45–105 μm，山东宝博材料科技有限公司）和TiC粉末（上海阿拉丁生化科技有限公司）为原料，按1:1质量比在行星式球磨机中混合（球料比8:1，转速200 r/min，时间30 min），混合粉末在120 ℃干燥3 h。激光熔覆在密封氩气保护腔室中进行（氧含量低于50 ppm），采用特定工艺参数（见表3）。通过X射线衍射（XRD）分析相组成，场发射扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，能量色散X射线光谱（EDS）分析元素分布，维氏显微硬度计（载荷300 g，保压15 s）测试截面显微硬度，销盘式多功能摩擦磨损试验机（MMX-3G，济南恒旭）进行干滑动磨损试验（载荷40 N，转速100 r/min，时间30 min，滑动距离113.0 m，室温25 ℃，相对湿度50%），并测量质量损失和体积磨损率。

研究结果如下：

3.1 微观结构：AlCoCrFeNi涂层呈现均匀致密微观结构，与Q235钢基体形成连续紧密的冶金结合界面，无气孔、缩孔和穿透裂纹等缺陷。EDS分析显示涂层中主要合金元素（Al、Co、Cr、Fe、Ni）原子比接近1:1，且存在显著Fe富集，源于基体表层熔化后的元素互扩散。TiC/AlCoCrFeNi复合涂层同样保持致密结构，涂层-基体界面完整。SEM图像中可区分灰白色AlCoCrFeNi基体相和深色TiC第二相，EDS证明深色相为TiC陶瓷颗粒，均匀分布于HEA基体中。XRD图谱显示AlCoCrFeNi涂层仅由BCC固溶体相组成；复合涂层除BCC相外还出现明显TiC陶瓷相衍射峰，无脆性金属间化合物或其他杂质相，表明TiC添加未改变基体相结构，界面稳定。

3.2 显微硬度：截面显微硬度分布曲线显示，两种涂层从表面到基体呈阶梯式变化：熔覆层内硬度高且稳定，界面处急剧下降，最终接近基体硬度。AlCoCrFeNi涂层平均显微硬度为443 HV_0.3，而TiC/AlCoCrFeNi复合涂层平均显微硬度达823 HV_0.3，提高了约85.66%。该提升归因于均匀分布的TiC陶瓷颗粒的弥散强化效应：这些硬质相可直接承受外加载荷并有效抑制位错运动，从而显著提高熔覆层显微硬度，为优异耐磨性奠定基础。

3.3 磨损性能：干滑动磨损条件下，AlCoCrFeNi涂层平均摩擦系数约为0.55，TiC/AlCoCrFeNi复合涂层约为0.45，降低了约18.2%。复合涂层摩擦系数曲线波动更大，归因于硬质TiC颗粒在循环剪切应力下周期性脱落形成第三体磨料，以及软基体与硬颗粒交替接触和表面摩擦膜的反复形成与破坏。质量损失和体积磨损率测量显示：AlCoCrFeNi涂层质量损失31.4 mg，体积磨损率24 × 10^-3 mm³/min；复合涂层质量损失15.6 mg，体积磨损率13 × 10^-3 mm³/min，分别降低约50.32%和45.83%。TiC颗粒的弥散强化效应使复合涂层在干滑动接触中形成承载骨架，有效阻碍涂层塑性流动、抑制磨粒犁削和界面粘着转移，减少循环摩擦剪切应力下的材料剥落，从而显著提升抗磨性能。

3.4 磨损表面形貌与磨损机制：AlCoCrFeNi涂层磨损表面出现大量沿滑动方向的宽而深的连续犁沟，以及由粘着分层引起的剥落坑，表明其磨损机制为严重的磨粒磨损和粘着磨损协同作用。EDS分析在局部磨损坑内检测到微量氧元素，证实存在轻微界面氧化。TiC/AlCoCrFeNi复合涂层磨损表面平坦度显著改善，虽仍有浅犁沟和细小磨屑，但沟槽深度和宽度大幅减小，磨粒磨损行为被有效抑制；未观察到明显粘着剥落坑，且表面富集大量氧元素，表明形成了致密保护性氧化层。因此，复合涂层的磨损机制转变为轻度磨粒磨损和氧化磨损。

总结讨论部分：本研究通过激光熔覆在Q235钢基体上成功制备了AlCoCrFeNi涂层和TiC/AlCoCrFeNi复合涂层，系统研究了微观结构和耐磨性能。研究结论翻译如下：两种涂层均具有完全致密的微观结构，并与Q235钢基体形成无缺陷的可靠冶金结合。XRD分析证实，单相AlCoCrFeNi涂层包含BCC固溶体基体；TiC陶瓷颗粒的引入在HEA基体中引入了离散的TiC增强相，未引发脆性金属间化合物析出，也未改变基体固有的BCC相结构。化学稳定的TiC/BCC界面消除了激光快速凝固过程中的相不相容风险，为TiC/AlCoCrFeNi复合涂层的力学和磨损性能提供了基本结构基础。均匀分散的TiC颗粒产生显著的弥散强化效应，大幅提高了熔覆涂层的显微硬度和抗磨能力。TiC/AlCoCrFeNi复合涂层平均显微硬度达823 HV_0.3，比AlCoCrFeNi涂层提高了85.66%；同时其平均摩擦系数降低了约18.2%，磨损质量损失和体积磨损率显著降低。低硬度的单相AlCoCrFeNi涂层受磨粒磨损和粘着磨损耦合控制，在重载干滑动条件下导致严重材料损失；嵌入的TiC颗粒大幅提高了涂层显微硬度，抵抗磨粒切削和粘着剥落，将主导磨损机制转变为轻度磨粒磨损耦合保护性氧化磨损。优异的长期磨损稳定性使TiC/AlCoCrFeNi复合涂层成为遭受高速煤粉侵蚀的火力发电部件理想的表面防护材料。