层错能对掺镍激光熔覆CoCrMo涂层微观组织演变及力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of Stacking Fault Energy on the Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Laser-Cladded CoCrMo Coatings with Nickel Addition

　　

摘要

将镍（Ni）引入激光熔覆低碳CoCrMo涂层中，以调控层错能（SFE），进而调节相稳定性、变形行为及热疲劳抗性。Ni含量从0变化至20 wt.%，系统研究了其对相组成、微观结构、拉伸性能、显微硬度及热疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明，Ni的添加提高了SFE，抑制了γ→ε马氏体相变，并逐步稳定了γ-Co相。同时，Ni细化了凝固微观结构，抑制了脆性相和碳化物的形成。在低Ni含量时，塑性变形主要通过相变诱导塑性（TRIP）机制实现；而在高Ni含量时，则以位错滑移和动态位错重组为主导。EBSD分析表明，ε-Co相界充当了优先裂纹扩展路径，而增加Ni含量可减少ε相体积分数，缓解局部应力集中，并抑制应力辅助相变。因此，塑性和热疲劳抗性显著改善，尽管强度和硬度略有下降。在所有成分中，含20 wt.% Ni的涂层表现出最佳综合性能，其延伸率比未改性的CoCrMo涂层提高了129.2%，热疲劳裂纹扩展率降低了92%。这些发现表明，通过添加Ni进行SFE工程优化是改善激光熔覆CoCrMo涂层强度-塑性平衡和热疲劳性能的有效策略。

引言

铁路运输的快速发展导致高速列车运行速度不断提高，对制动系统提出了更为严格的要求，制动系统在确保运营安全性和可靠性方面起着至关重要的作用。高速列车制动过程中，由24CrNiMo钢制成的制动盘表面温度可能超过750 °C [1]。如此高的温度会导致热应力集中，并可能促进裂纹萌生与扩展，最终缩短制动盘的使用寿命 [2]。尽管这些热应力产生于制动盘基体材料内部，但裂纹萌生和磨损损伤主要发生在摩擦表面或近表面区域，该区域承受着严重的热载荷和机械载荷。因此，与其替换或修改基体24CrNiMo钢，不如通过增强表面对磨损和热疲劳损伤的抗力来提高制动盘性能并延长其使用寿命，这是一种更为实际有效的策略。

因此，先进的表面工程技术通过在基体上沉积具有优异力学性能和高温性能的涂层，为提高制动盘的表面完整性和服役性能提供了一种有效的方法。常见的表面处理方法包括激光熔覆、等离子转移弧焊和钨极惰性气体保护焊 [3]、[4]、[5]。其中，激光熔覆作为一种表面工程技术受到了广泛关注。在该工艺中，高能激光束将喂料材料和薄层基体一起熔化，产生冶金结合的涂层。激光熔覆的主要优势包括：加工效率高、稀释率低、热输入有限、基体变形小、凝固速度快，且对喂料形态、涂层成分和几何形状具有灵活的控制能力 [6]。这些特点使激光熔覆成为制备耐磨和抗热疲劳涂层的有前景的方法。然而，该工艺涉及陡峭的温度梯度和快速凝固，可能引起残余应力、气孔、裂纹和成分偏析。因此，需要仔细优化工艺参数和合金成分，以制备具有高结构完整性和可靠性能的涂层。激光熔覆合金涂层因此被广泛应用于严重磨损和热载荷工况。Falqueto等人 [7] 制备了三种激光熔覆钴基合金涂层（Stellite 1、6和12），并将其耐磨性与浇铸态Co30Cr19钢进行了比较，证实了涂层具有优越的耐磨性能。此外，Chen等人 [8] 通过激光熔覆在718H塑料模具钢上制备了高耐磨CoCrMo合金涂层，结果表明熔覆层的显微硬度和耐磨性均优于基体。Xu等人 [9] 将Mo和Nb引入FeCoCrNi合金涂层中，形成了由NbC和(Mo,Nb)C碳化物强化的稳定FCC基体，显著提高了硬度和耐磨性。

在多种激光熔覆合金体系中，Co基合金由于其高强度、优异的耐磨和抗热疲劳性能，被广泛应用于制动盘等高温摩擦部件的表面改性研究。Liu等人 [10] 通过激光熔覆在高速列车制动盘上沉积了Co06钴基合金涂层，结果表明该涂层在宽温度范围内具有优于基体的耐磨性。主要磨损机制从室温下的磨粒磨损逐渐转变为高温下的粘着磨损，同时Cr₂₃C₆的形成显著改善了涂层的高温抗氧化性。然而，传统钴基合金涂层在高温循环载荷下仍面临强度、塑性和热疲劳抗性之间难以平衡的挑战 [11]。在此背景下，旨在改善相稳定性和优化变形机制的合金化策略展现出了巨大的应用前景。Xie等人 [12] 通过添加Ni和Al对低碳CoCrMo合金涂层进行了成分调控，其中Ni增加了γ-Co FCC相的比例并将延展性提高了85%，而Al降低了SFE并促进了ε-Co HCP相的形成。同时，弥散分布的Al₃Ni金属间化合物对涂层起到了强化作用。类似地，Zhao等人 [13] 发现将Mn引入γ-Co基体中可促进晶格畸变和位错累积，通过固溶效应强化涂层。特别是5 wt.% Mn诱导了约44%的γ-Co转变为ε-Co，从而激活了TRIP效应，该效应在变形过程中耗散应变能，显著提高了延展性。通过降低SFE，Mn的添加还促进了通过相变实现应力松弛，使热疲劳裂纹扩展率降低了约42.5%。Zhao等人采用的基于TRIP的策略（通过降低SFE）和Xie等人采用的FCC稳定化策略（通过提高SFE）均可增强疲劳抗性，但它们通过相反方向的SFE调控来实现。这些结果表明，通过SFE和相稳定性调控来控制γ → ε马氏体相变，对于优化钴基合金的力学性能和热疲劳抗性至关重要。

因此，本研究突出了Ni在通过调控SFE来改变CoCrMo基合金涂层的微观结构演化和力学性能方面的关键作用。先前的研究表明，SFE与金属材料塑性变形过程中的位错运动密切相关，因此直接影响合金的力学性能 [14]、[15]、[16]。特别是在高温条件下，晶界滑动和迁移成为多晶材料中的主要变形机制。尽管CoCrMo合金具有较高的强度，但其固有的低SFE [17] 在变形和热循环过程中促进了γ → ε马氏体相变，从而阻碍了延展性和热疲劳性能的进一步改善。作为与Co完全互溶的合金化元素 [18]，Ni可以提高SFE，从而抑制γ → ε马氏体相变并稳定γ-Co相，使其成为调控CoCrMo合金性能的有效掺杂元素 [19]。本研究通过激光熔覆制备了不同Ni含量的CoCrMo合金涂层，系统研究了Ni含量对微观结构、相组成和力学性能的影响。

章节摘要

成分设计

基于基础CoCrMo粉末成分（见表1第一行，碳含量为0.053 wt.%）和1至20 wt.% Ni添加量的热力学计算，使用Pandat软件模拟了Ni-CoCrMoC系统的相平衡，并根据所得相图设计了涂层成分，如图1所示。

根据Ni-CoCrMoC系统模拟相图，随着温度降低，M₇C₃碳化物具有更高的

SFE计算

计算得到的SFE结果如图4所示。未改性的CoCrMo合金表现出较低的SFE，约为-127.5 mJ/m²。添加Ni后，SFE显著提高，7Ni达到-121.0 mJ/m²，20Ni达到-88.7 mJ/m²。整体趋势表明Ni有效地提高了SFE，从而表明存在稳定γ-Co相并抑制γ→ε马氏体相变的热力学趋势，这为后续的微观结构和力学

Ni对SFE、凝固和晶体缺陷的影响

激光熔覆工艺中伴随的快速冷却抑制了层错（SF）的形成和扩展，从而保留了大量的亚稳态γ-Co。因此，仅有少量ε-Co形成，这是由于残余应力 [36]、[37] 和后续热处理 [38]、[39]、[40] 所致（图8a3-b3）。Ni的添加显著影响了凝固行为，主要通过其对SFE的影响来实现。如图4所示，热力学计算表明Ni

结论

本研究旨在通过Ni诱导的层错能工程优化来提高激光熔覆CoCrMo涂层的延展性和热疲劳抗性，同时尽量减少强度和硬度的损失。研究了含0-20 wt.% Ni的CoCrMo涂层，以阐明SFE、相稳定性、变形机制、力学性能和热疲劳裂纹扩展之间的关系。总体而言，将Ni含量增加至20 wt.%显著提高了延展性

CRediT作者贡献声明

龙兴诚：验证、方法论。鲜庆丰：验证、方法论。梁志荣：验证、方法论。倪鑫：验证、方法论、数据整理。杨川：验证、方法论。赵永生：验证、方法论。张俊杰：验证、方法论。刘燕：验证、方法论。陈辉：验证、方法论、资金获取。吴英：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、资金获取。孙宇建：撰写——审阅与编辑，

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作者声明，他们没有已知的财务利益冲突或人际关系可能影响本文所报告的工作。

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致谢

本研究得到四川省重大科技专项（2024ZDZX0024）、国家重大科技项目（2025ZD0610803）以及国家重点研发计划（2022YFB4301202-05、2022YFB4301203-13）的资助。

孙宇建|倪鑫|杨川|赵永生|张俊杰|龙兴诚|鲜庆丰|梁志荣|刘燕|陈辉|吴英

西南交通大学材料科学与工程学院，成都，610031，中国