冷喷涂Fe-Cr-Co-Ni-Mo-Ta多组分合金涂层：微观结构演变与变形行为

《Surface and Coatings Technology》：Cold sprayed Fe–Cr–Co–Ni–Mo–Ta multicomponent alloy coatings: Microstructural evolution and deformation behavior

　　

摘要

将 Fe–Cr–Co–Ni–Mo–Ta 合金粉末通过冷喷涂工艺沉积到低碳钢基板上，并系统地研究了所得涂层的微观组织演变和硬度。超声雾化粉末主要为球形，粒度分布窄，中位直径 (D50) 约为 35 μm。单个颗粒的横截面分析揭示了非均匀塑性变形，其特征是颗粒边缘的局部射流，以及剧烈塑性变形和绝热剪切局部化导致的亚晶结构。电子背散射衍射 (EBSD) 分析显示，晶格旋转显著，局部取向偏差高，低角度晶界 (LAGBs) 是主要的变形特征，并伴有局部变形孪晶。核平均取向偏差 (KAM) 分析证实了颗粒界面附近存在显著的应变局部化。分子动力学 (MD) 模拟表明，Fe–Cr–Co–Ni 基体的中等层错能 (SFE) 促进了高应变率条件下的位错介导变形和局部孪晶。纳米压痕显示硬度从原料粉末的 5.3 GPa 逐步增加到颗粒内部的 6.1 GPa 和颗粒界面附近的 7.8 GPa。定量强化分析表明，硬度增强主要由剧烈塑性变形引起的位错强化以及微观组织细化相关的晶界/孪界强化的共同效应控制。这些发现表明，冷喷涂加工能够产生具有细化微观组织和优异硬度的基于铁的多组分合金涂层，突出了其在防护涂层应用中的潜力。

引言

源自奥氏体 Fe–Cr–Ni 体系的基于铁的多组分合金因其强度、韧性和耐腐蚀性的良好组合，在结构和表面工程应用中引起了越来越多的关注 [1]。这些合金被广泛应用于工业领域，如水轮机部件、海水淡化系统（例如过滤器和管道）以及热交换器，在这些领域中，高机械性能和优异的耐腐蚀性至关重要 [2], [3], [4]。在这些体系中，Co、Mn 和 Mo 等合金化添加元素在调节机械和化学性能方面起着重要作用 [5]。Co 已知能稳定面心立方 (fcc) 相，并通过晶格畸变增强固溶强化 [6], [7]，而 Mo 广泛用于基于铁的合金，特别是不锈钢体系，以提高强度和耐腐蚀性 [8]。这些合金化效应为开发在苛刻服役条件下具有增强性能的基于铁的合金提供了功能基础。冷喷涂是一种固态涂层工艺，其中粉末颗粒被高压气体加速到超音速速度，并在不熔化的情况下沉积到基板上 [9], [10]。结合是通过撞击时的剧烈塑性变形发生的，受绝热剪切失稳、界面射流和局部动态回复的控制 [11]。这导致了致密的涂层，具有细化的微观组织、高缺陷密度和强界面结合。由于其低热输入，冷喷涂特别适用于加工对氧化和相变敏感的合金 [12], [13]。成功的冷喷涂沉积要求喷射颗粒的冲击速度处于沉积窗口内，该窗口由临界速度 (V_Critical) 界定，低于此速度颗粒无法有效粘附，以及侵蚀速度 (V_erosion)，高于此速度过大的冲击可能导致基板或涂层侵蚀。这个沉积窗口取决于材料性能和加工条件，并且已经报道了对于几种市售粉末的情况 [14], [15]。

然而，含有多种合金元素的基于铁的多组分合金的沉积仍然具有挑战性，因为它们在高应变率冲击下具有较高的强度和复杂的变形行为 [16], [17]。这些元素可以显著影响层错能 [18], [19]、位错活动 [20] 和晶界稳定性 [20]，从而影响颗粒变形、颗粒形成和涂层完整性 [21]。尽管人们对基于铁的多组分合金涂层的兴趣日益增加，但合金化学、冲击引起的变形机制与随之产生的微观组织演变之间的关系仍未得到充分理解。

为了实现超越传统合金化路线的灵活成分设计，开发了一种金属粉芯焊丝 (MPCW) 方法 [22], [23]。在这种方法中，用元素粉末的均匀混合物填充基于铁的外管。在随后的电弧熔化和超声雾化过程中，粉芯焊丝在高能条件下被快速熔化和破碎，实现了组成元素的原位合金化和快速凝固。与传统的铸锭冶金不同，MPCW 允许独立选择和组合元素成分，从而设计出不受现有合金体系限制的成分复杂的基于铁的合金。所得原料是一种基于铁的多组分合金体系，其中每种元素都发挥特定的功能作用：Cr 和 Ni 对基体的结构稳定性 [24]，Co 贡献于固溶强化和晶格畸变 [25]，而 Mo 增强强塑性协同效应 [26]，Ta 改善耐腐蚀和耐磨性 [27], [28]。超声雾化期间的快速凝固进一步促进了高圆度和成分复杂性的细颗粒形成，使粉末适用于后续的固态加工 [29], [30], [31]。特别是，关于含 Co 和难熔元素的 MPCW 衍生基于铁的多组分合金在冷喷涂条件下的系统研究仍然缺乏。决定 SFE 的成分复杂化学与剧烈塑性变形 (SPD) 对缺陷演变和力学响应的共同影响仍未得到充分建立。解决这些差距对于理解此类系统中的结合机制和优化涂层性能至关重要。

在本工作中，通过 MPCW 路线合成了一种含 Mo 和 Ta 添加的富 Co 基于铁的多组分合金，并使用冷喷涂技术沉积到低碳钢基板上。使用扫描电子显微镜 (SEM)、电子通道衬度成像 (ECCI)、电子背散射衍射 (EBSD) 和 X 射线衍射 (XRD) 研究了粉末、颗粒和涂层的微观组织演变，重点关注晶粒细化、缺陷结构和界面特征。为了进一步理解变形机制，进行了 MD 模拟以评估广义层错能 (GSFE)。将模拟结果与 EBSD 和纳米压痕测量相关联，以建立冷喷涂 Fe–Cr–Co–Ni–Mo–Ta 合金涂层中层错能、变形模式和硬度增强之间的机理关系。

章节摘要

通过超声雾化制备粉末

用于冷喷涂沉积的原料粉末是通过超声雾化生产的，其中熔融金属流受到高频振动，破碎成细小液滴，这些液滴在自由下落过程中快速凝固并形成高球形颗粒。Fe–Cr–Co–Ni–Mo–Ta 合金粉末由作者以 MPCW 的形式制造，由填充有 Cr、Ni、Co、Mo 和 Ta 元素粉末均匀混合物的低碳钢外管组成。

粉末、颗粒和涂层的微观组织

图 2 显示了雾化 Fe–Cr–Co–Ni–Mo–Ta 合金粉末的代表性 SEM 图像。大多数颗粒呈高球形 (图 2a)，这是由超声雾化产生的金属粉末的特征。粒度分布 (图 2c) 在直方图中显得相对较窄，D10（10% 的颗粒低于该尺寸）约为 15 μm，D50（中位粒径，50% 的颗粒小于此，50% 大于此）约为 35 μm，以及

结论

对 Fe–Cr–Co–Ni–Mo–Ta 合金粉末和相应冷喷涂涂层在 950 °C 和 4.9 MPa 压力下于低碳钢上进行实验和计算研究，得出以下主要发现：

• 1.
  雾化粉末由具有树枝状微观组织的 γ-相基体组成，其中由于雾化过程中元素溶解不完全，形成了富 Mo 和富 Ta 的枝间偏析。粉末具有高圆度，中位粒径约为 35 μm。
• 2.
  单个颗粒

CRediT 作者贡献声明

Roghayeh Mohammadzadeh: 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，概念化。Mohammadreza Rahimi: 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析。Maryam Ettelaei: 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，验证，方法论，调查。Anatoliy Zavdoveev: 写作 – 审查与编辑，方法论，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

Roghayeh Mohammadzadeh|Mohammadreza Rahimi|Maryam Ettelaei|Anatoliy Zavdoveev|Lukasz Zrodowski|Tomasz Choma|Andrey Klapatyuk|Yuming Zhao|Sima A. Alidokht

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