《Surfaces and Interfaces》：Load Dependent Tribological Behavior of WC Coatings Revealed by Experiments and Molecular Dynamics Simulations
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摘要WC涂层具有优异的耐磨保护性能，但其在不同载荷条件下的多尺度失效机制仍需要更深入的理解。本研究通过实验与分子动力学（MD）模拟相结合的方法，对HVOF喷涂WC涂层的摩擦学行为进行了系统研究。宏观测试结果表明，WC涂层的性能表现出显著的载荷依赖性，随着载荷从4 N增加至16
摘要
WC涂层具有优异的耐磨保护性能，但其在不同载荷条件下的多尺度失效机制仍需要更深入的理解。本研究通过实验与分子动力学（MD）模拟相结合的方法，对HVOF喷涂WC涂层的摩擦学行为进行了系统研究。宏观测试结果表明，WC涂层的性能表现出显著的载荷依赖性，随着载荷从4 N增加至16 N，摩擦系数和磨损率均呈非线性增长。扫描电镜（SEM）观察揭示了磨损机制从轻微磨耗向严重剥落及基体裸露的演变过程。MD模拟阐明了其原子尺度的内在机理：脆性WC涂层在变形过程中不断积累弹性能，而延性铁基基体则通过塑性变形和剪切带机制耗散能量。径向分布函数（RDF）分析证实，在高载荷下界面结合力进一步增强。本多尺度研究表明，储能与耗能的竞争机制以及原子尺度界面黏附作用的增强共同主导了WC涂层载荷依赖的摩擦学性能，为涂层设计与优化提供了关键的理论依据。
引言
摩擦与磨损是机械系统中材料失效和能量损耗的主要原因，持续推动着先进表面工程解决方案的开发与探索[[1]、[2]、[3]]。在海洋能源和化工制造等关键领域，奥氏体316L不锈钢凭借其卓越的耐腐蚀性能已成为不可或缺的结构材料[4]。然而，尽管316L不锈钢具有良好的化学稳定性，但其固有的硬度较低且抗严重滑动磨损性能极差。在苛刻的工业条件下，这些不足往往会导致灾难性的冷焊咬合和局部表面塌陷[5]。碳化钨（WC）涂层以其卓越的硬度和耐磨性著称，是工业环境中关键部件的主要防护方案[[6]、[7]、[8]]。为弥补316L等软基体的固有缺陷，高速燃料氧焰（HVOF）喷涂WC金属陶瓷复合材料被广泛应用。此外，引入延性钴结合相而非采用单一陶瓷相，能够显著增强断裂韧性，防止在逐步增加的运行载荷下发生脆性失效[9]。随着WC基涂层在航空航天、能源、采矿和制造行业的日益广泛应用，其服役条件变得日趋复杂，往往涉及变接触载荷、冲击以及混合润滑状态。WC涂层在各工业领域的广泛应用加强了对其在不同服役条件下摩擦学行为全面理解的迫切需求，尤其是其对载荷依赖的摩擦和磨损响应。
尽管已有大量研究证实了WC涂层优异的宏观摩擦学性能[[10]、[11]、[12]]，但现有研究大多集中在有限测试条件下整体耐磨性能的改善上，对载荷依赖行为的系统性分析仍然相对缺乏。Gao等[13]采用高速燃料氧焰（HVOF）喷涂技术开发了一种新型WC-（纳米WC-Co）涂层，通过向钴结合相中引入纳米WC颗粒，成功实现了摩擦系数（高达0.7）和耐磨性的同步提升。Luis M. Vilhena等[14]开展了一项对比研究，结果表明传统WC-Co复合材料相较于新开发的WC-不锈钢复合材料（无论是否添加碳），在滑动耐磨性能和摩擦系数方面均具有明显优势。Chen等[15]通过激光熔覆技术制备了WC含量不同的FeNiCr-WC复合涂层（40-60 wt%），结果表明涂层显微硬度显著提升且磨损率降低，同时揭示了在不同摩擦副条件下不同的磨损机制，包括三体磨损、氧化磨损和釉质层形成。然而，摩擦系数、磨损率以及主导磨损机制如何随法向载荷增大而演变，以及这种演变如何受脆性WC涂层与延性基体之间相互作用的控制，目前仍未得到充分理解。以往的研究主要集中于工艺参数的优化和一般磨损性能的表征，对载荷依赖摩擦学行为的基本机制仍存在关键性认知空白。尤为值得注意的是，原子尺度上的过程——这些过程最终决定了宏观性能，尤其是界面黏附的演变、涂层与基体之间的应变分配以及能量耗散路径——很少仅通过实验手段加以探讨。
分子动力学（MD）模拟提供了一种强有力的方法来解决上述局限性，使其能够直接观察原子尺度的相互作用和变形机制[[16]、[17]、[18]]。Wang等[19]采用MD模拟研究了高能电子束辐照对WC-Co复合材料纳米尺度效应的影响，揭示了划伤过程中钴的蒸发速率加快和结构不稳定性增加的现象，并展示了嵌入WC晶粒中的钴原子由于更强的键合环境而表现出更高的抗蒸发能力。Aghababaei等[20]利用MD模拟研究了DLC/WC多层纳米涂层的磨损机制，揭示了由于界面诱导位错约束效应而获得最大划痕硬度的关键双层层厚度，并指出当层厚度降至2 nm以下时，WC层的界面介导非晶化会导致硬度下降。Ding等[21]采用MD模拟系统地研究了以高熵合金为结合相的WC-CoCrNiFeCu硬质合金。研究揭示了塑性变形过程中高熵合金区域内位错形核和面心立方（FCC）→体心立方（BCC）相变机制，并展示了高温如何促进应力诱导的非晶化并降低WC基复合材料的承载能力。与此同时，近年来的研究开始将MD模拟与摩擦学实验相结合，以建立原子尺度过程与宏观摩擦和磨损响应之间更为直接的联系[[22]、[23]、[24]]。这类综合方法表明，将纳米尺度模拟与实验测量相结合可以显著提高对摩擦学性能的机理认识，并为先进涂层系统的设计提供关键指导。然而，尽管取得了上述进展，针对HVOF喷涂WC涂层在不同法向载荷下的摩擦响应，以及其与实验测得的载荷依赖摩擦和磨损之间直接关联的系统性原子尺度研究，目前在公开文献中仍然缺乏。特别需要指出的是，脆性WC层中弹性储能与延性基体中塑性能量耗散在载荷逐步增加条件下的竞争关系，及其对从轻微表面磨损向严重剥落和基体裸露转变的影响，尚未得到明确阐明。
本研究采用实验表征与MD模拟相结合的多尺度综合方法。在不同法向载荷条件下进行宏观摩擦学测试以量化摩擦系数和磨损率，随后通过扫描电镜（SEM）分析揭示磨损机制的演变。与实验研究互为补充，MD模拟提供了WC涂层和铁基基体中变形行为、应变局部化和能量演变的原子尺度见解。本研究的主要创新之处在于建立了宏观摩擦学性能与原子尺度机制之间的直接关联，为HVOF喷涂WC涂层载荷适应性失效行为提供了基础性的、连贯的整体认知。这一机理认识为耐用WC基涂层的设计以及在苛刻工程应用中合理选择工作载荷提供了实际指导。
章节片段
材料
本研究采用商用WC-Co粉末作为HVOF喷涂的送粉材料，其标称成分为88 wt% WC和12 wt% Co（12Co-88WC）。选择HVOF沉积方法是因为其相对低温的燃烧温度和超音速颗粒速度能够有效抑制传统高温喷涂中常见的严重热脱碳现象。因此，该工艺能够制备出致密度高、气孔极少的微观结构。
不同载荷下的摩擦实验
图5展示了法向载荷分别为4 N、8 N、12 N和16 N条件下摩擦系数随滑动时间的演变情况。在每个测试的初始阶段，所有曲线均表现出摩擦系数的快速增加，这表明显著存在跑合期，其特征是通过微凸体变形和初期磨屑的积累逐步增大实际接触面积。随后，摩擦曲线过渡到相对稳定的阶段，在该阶段中，摩擦系数……
结论
本研究通过实验与模拟相结合的综合方法，系统研究了不锈钢基体上HVOF喷涂WC涂层在不同载荷条件下的摩擦与磨损特性。主要结论总结如下：
- (1)
宏观摩擦学测试表明涂层表现出强烈的载荷依赖性，即随着法向载荷的增大，摩擦系数升高，磨损率呈非线性增长。SEM分析揭示了磨损机制的渐进转变……
CRediT作者贡献声明
Guochen Huang（黄国琛）：方法学、软件、初稿撰写、可视化、数据管理。Guoqing Wang（王国清）：概念化、资源获取、指导、资金支持、论文审阅与编辑。Ouwen Chen（陈欧文）：方法学、软件、初稿撰写、可视化、数据管理。Qian Cheng（程倩）：可视化、数据管理、形式化分析、论文审阅与编辑。Guowei Chen（陈国伟）：指导、验证。Chenbo Ma（马晨波）：项目管理、指导、概念化。
作者声明
我们声明，本文所提内容均为原创，不涉及抄袭和版权侵权问题。我们在此声明并保证以上内容属实。
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Guochen Huang（黄国琛）：论文审阅与编辑、初稿撰写、可视化、软件、数据管理。Guoqing Wang（王国清）：指导、项目管理、方法学、资金支持、概念化。Ouwen Chen（陈欧文）：论文审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件。Qian Cheng（程倩）：论文审阅与编辑、可视化、验证、软件、数据管理。Guowei Chen（陈国伟）：论文审阅与编辑、验证、指导、资源获取、方法学。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（52505192）和江苏省自然科学基金（BK20250710）的资助。
黄国琛 | 王国清 | 陈欧文 | 程倩 | 陈国伟 | 马晨波
