引言
功程工程、石油天然气及化工行业，以及航空航天和造船行业近年来的发展特点是设备运行温度持续升高。在氧化性气体环境中，结构钢和超合金在800–1100°C的温度下运行时，不可避免地会遭受严重的高温气体腐蚀。腐蚀会导致金属微观结构不可逆劣化，服务性能下降，进而引发设备提前失效[1][2][3]。 延长关键部件使用寿命的有效且技术可行的方法是在其表面施加耐热涂层。这类涂层可作为扩散屏障，减缓或完全阻止氧气及其他腐蚀性气体的向基底扩散。现代高温涂层需要具备优异的抗氧化性能、低氧气渗透率，同时沉积过程应具备可加工性，包括在服役条件下降层进行局部修复和恢复的能力[3]。
表面处理技术可以改变铁基和非铁基金属表面层的结构、成分和性能，从而提高其耐磨性、硬度和耐腐蚀性[4][5][6]。热喷涂[7][8][9]、真空离子等离子体技术[10][11][12]以及化学气相沉积（CVD）[13][14]和物理气相沉积（PVD）[13][14]方法被广泛用于抵抗高温腐蚀。尽管这些方法得到的涂层质量较高，但它们存在生产效率低、无法用于大规模部件的问题，且形成的涂层孔隙率高、附着力较弱。
非真空电子束包覆（NVEB）技术结合了高效率和大规模部件加工能力。该技术由俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克尔核物理研究所和强度物理与材料科学研究所的研究团队开发，利用相对论性电子束（能量高达1.5 MeV）在空气中直接进行沉积[15][16][17][18][19]。涂层通过体相冶金合金化机制形成，确保了涂层与基底之间的牢固结合，即使在高热和变形负荷下也不会脱落。NVEB包覆的主要优点是生产效率高，适用于大规模部件加工[20][21]。
以往的研究[22][23][24][25]表明，NVEB技术可以制备出耐磨和耐腐蚀的镍基、钛基和铁基涂层。由于冷却速率快，包覆层形成了细晶结构，从而增强了材料力学性能。
本研究选择Ni-Cr-Mo-Ti体系作为防护涂层的基材。这一选择是基于高温氧化环境下对材料的要求：涂层中的铬有助于形成致密的Cr2O3氧化层，该氧化层生长速率低且具有优异的阻隔性能[26][27]；镍稳定奥氏体基体并形成复杂的尖晶石型氧化物（如NiCr2O4），从而提高抗氧化性[28]；溶解在固溶体中的钼提供了固溶强化效果，提高了材料的抗蠕变性[29]；钛与碳有较强的亲和力，能与分散的TiC碳化物结合，限制晶界脆化，提高高温下的微观结构稳定性[30]。
尽管Ni-Cr基合金具有较高的抗氧化性，但在850°C及以上温度下工作的某些关键部件仍需进一步增强涂层的保护性能。例如，广泛用作结构材料的AISI321钢，其最高使用温度约为600°C，超过该温度后会出现严重的氧化现象[31][32]。因此，提高钢材在850°C及以上温度下的抗氧化性仍然具有重要意义。
一种有前景的改性方法是在涂层中添加硼。硼可以与其所在的过渡金属（Fe、Cr、Ni、W、Ti）形成硬度高、热稳定性好的硼化物相[33][34][35]，从而提高耐磨性并限制高温下的物质扩散。另一方面，硼还可以参与氧化过程中保护性氧化层的形成[36][37][38][39]，但部分研究指出硼化物层容易碎裂和剥落，从而降低抗氧化性[40][41]。因此，关于硼对涂层耐热性影响的文献结果存在矛盾，需要进一步研究高硼含量体系的相关现象。
文献[42]指出，添加4%的钼可获得最佳的耐磨性和热稳定性平衡；而6%的钼会导致FeCrBSi涂层结构粗化并降低性能。在添加Ti和C的镍涂层上进行激光包覆时，会原位生成TiC颗粒，这些颗粒分布于γ-Ni基体中，赋予涂层高硬度（可达750–920 HV）和良好的耐磨性[43]。在钛合金表面上添加B4C后，会形成TiB2、TiC和CrB相，B4C含量从0%增加到9%时，显微硬度从1032 HV提高到1250 HV，耐磨性提高33%[45]。
在NiCrBSi体系中，硼与铬形成共晶和硼化物，这些物质是主要的强化相[46][47][48]。增加NiCrBSi涂层中硼（及碳、硅）的含量可提高平均硬度至600 HV，并增强耐磨性[47]。然而，在钛合金上制备NiCrBSi涂层时，添加9%的B4C虽然提高了硬度，但降低了抗裂性[45]。通过电子束处理在AISI 321钢表面形成的硼化层中包含Fe2B、Cr2B和复合(Cr,Fe)2B，改性层的显微硬度达到1200–1400 MPa（是基材的4–5倍），耐磨性提高2–5倍，硫酸中的耐腐蚀性提高1.5倍[49]。
本研究的目的是探讨NVEB技术制备的Ni-Cr-Mo-Ti基涂层在不同类型涂层对相组成、微观结构、显微硬度和高温抗氧化性能的影响。
