耦合交变磁场与外电流辅助Ni60B激光熔覆：界面微观组织演变、冶金结合质量及断裂行为

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Coupled alternating magnetic field and external current assisted laser cladding of Ni60B: Interfacial microstructure evolution, metallurgical bonding quality, and fracture behavior

　　

- 磁电耦合辅助激光熔覆作为一种新型加工工艺方法已被提出。
- EMF熔覆层表现出晶粒细化、织构弱化以及界面均匀性改善的特征。
- EMF改善了延伸性、剪切承载能力和损伤容忍度。
- 外加电流增强了熔池中由洛伦兹力驱动的对流。

## 引言

激光熔覆因其高能量密度、窄热影响区以及能够实现冶金结合等优点，已被广泛应用于关键部件的表面强化和修复[1], [2]。该技术能够在基体表面原位制备具有优异耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性的涂层[3]；然而，部件的服务可靠性不仅取决于涂层本身的性能，还很大程度上依赖于涂层-基体界面的冶金完整性[4]。由于熔覆工艺固有的陡峭温度梯度、快速凝固以及复杂的热质传递行为[5]，界面区域容易产生微观组织不均匀性[6]、元素偏析[7]和缺陷形成[8], [9]，使其成为潜在的薄弱环节。因此，通过熔池调控来改善界面结合特性，并深入研究相关的失效机制，对于提高部件的服务可靠性至关重要。

为了减轻激光熔覆工艺中陡峭热梯度和非平衡快速凝固特征的不利影响，研究人员提出了各种辅助调控方法，包括激光冲击[10]、预热[11]、超声场[12]和磁场[13], [14]，以改善熔池流动、热质传递和凝固行为。其中，磁场辅助方法因其非接触特性、参数可灵活调节以及与现有熔覆系统易于耦合而备受关注[15]。已有研究表明，外加磁场可以通过感应电流与磁场之间的相互作用产生洛伦兹力，随后通过电磁制动或热电磁流体效应改变熔池内的流体运动、热分布和凝固行为，从而影响熔覆层的成形质量、微观组织和力学性能[16], [17]。Huang等[18]报道，在熔覆过程中引入电磁场可在熔池中诱发强制对流，显著细化枝晶组织并抑制柱状晶的择优生长，从而减少元素偏析和残余应力。Liang等[19]在高熵合金激光沉积中引入静磁场，诱导TiN颗粒沿磁力线排列，促进Ti/N元素在固-液界面前沿的均匀分布，改善了冶金结合强度。Wang等[20]指出，静磁场通过电磁制动效应抑制熔池表面波动，同时通过热电磁流体效应促进内部对流和晶粒细化，从而改善熔覆层的表面平面度并降低裂纹形成倾向。在此基础上，旋转磁场[21]、交变磁场[22]和脉冲磁场[23]被相继引入激光熔覆工艺，以进一步增强对熔池行为的调控。与恒定磁场下相对稳定的电磁条件相比，时变磁场能够在熔池内诱导电磁驱动力产生周期性扰动或瞬态脉冲，从而增强熔体对流和元素混合，为改善界面冶金结合创造更有利的条件。

尽管磁场辅助激光熔覆在改善熔覆层成形和组织演变方面的优势已得到证实，但仅由交变磁场产生的洛伦兹力（主要依赖于熔池内部感应电流）通常不足以克服粘性阻力，这归因于熔池固有的小空间尺寸以及熔融材料有限的固有电导率。因此，这种有限的驱动力无法持续维持剧烈对流、促进成分均匀化或加速熔池底部的界面反应，从而限制了其在结合界面冶金强化中的应用[24], [25]。在此基础上，将外加电流叠加于磁场被认为是提高熔池内洛伦兹力驱动能力、强化熔体流动以及热质传递的有效策略[26], [27]。已有研究表明，磁场与外加电流的协同效应可以进一步增强熔覆层的成形质量并促进组织均匀化。Meng等[28]基于数值模拟和实验验证指出，电磁复合场通过电场感应的定向洛伦兹力和磁场感应的感应洛伦兹力的协同作用，能够有效抑制熔池中的气孔形成并降低残余应力，获得致密均匀的熔覆层微观组织。Huo等[29]发现，电磁复合场可诱导向下的安培力并增强马兰戈尼对流，不仅实现了WC颗粒的均匀分布，还通过增加共晶碳化物的形核率并破坏伸长的柱状共晶组织，显著细化了微观组织，使熔覆层硬度提高了32.5%。这些研究结果证实，由复合外场诱导的剧烈定向对流具有深入渗透熔池底部边界层的潜力。

尽管已有进展，但关于外场辅助激光熔覆的两个关键问题仍需进一步研究：

① 仅交变磁场辅助下驱动力有限。由于熔池尺寸小且感应电流弱，磁感应产生的洛伦兹力通常不足以显著改变熔池的流动状态，尤其在促进熔体对流、成分均匀化和界面冶金反应方面，其强化效果有待进一步增强。

② 电磁场辅助激光熔覆中的界面强化与失效机制仍认识不足。现有大多数研究主要聚焦于外场对整体成形质量、缺陷抑制、晶粒细化和涂层级性能的影响。然而，电磁场辅助如何重构熔池流动和热-质量传递条件，从而调控界面区域的成分过渡、组织演变和硬度梯度连续性仍不够明确。更重要的是，这些界面特征与由此产生的冶金结合质量以及拉伸/剪切断裂失效行为之间的关系尚未被系统地建立起来。

因此，从界面强化的角度出发，将外加电流与交变磁场耦合有望增强局部洛伦兹力驱动能力，并进一步调控界面区域的熔池流动和热-质量传递。在此基础上，本研究开发了一种由耦合交变磁场和外加电流辅助的激光熔覆系统，设计了三种对比实验条件：无外场（NF）、单独交变磁场（MF）和耦合电磁场（EMF）。利用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射仪（XRD）对结合区域的界面形貌、晶体学特征和元素过渡行为进行了表征。通过界面剪切试验和室温拉伸试验评估了界面结合性能和断裂失效特征。此外，还对洛伦兹力和哈特曼数进行了理论计算，以分析电磁辅助对熔池流体力学的影响。通过这些对比实验和理论分析，本研究旨在阐明电磁场诱导的熔池调控、界面成分/组织过渡、冶金结合行为和断裂失效响应之间的关系，从而为激光熔覆部件的界面可靠性设计提供依据。

### 材料

激光熔覆所选用的基体材料为17CrNiMo齿轮钢，该材料因其良好的淬透性、强度和韧性而被广泛应用于传动部件。熔覆前，工件表面经研磨抛光以提高表面平整度，随后用无水乙醇清洗以去除表面污染物，包括油污。所采用的熔覆合金粉末为Ni60B，其具有优异的耐腐蚀性、耐磨性和……

### 宏观形貌

由于熔覆层形貌与基体熔化和冶金结合程度密切相关[31]，图3展示了不同外场条件下获得的熔覆层截面形貌，图4汇总了对应的平均几何参数。如图所示，三组样品均形成了连续致密的单道熔覆层，在……处未观察到明显的宏观裂纹或未熔合缺陷。

### 结论

本研究系统研究了耦合交变磁场和外加电流（EMF）辅助激光熔覆对17CrNiMo钢上Ni60B涂层组织演变、界面冶金结合和断裂行为的影响。主要结论如下：

(1) 耦合EMF策略通过增强熔池热质传递提高了基体熔化程度并改善了熔覆形貌。与常规激光熔覆相比，EMF产生了更深的……

## CRediT作者贡献声明

Luo Shanming：写作—审阅与编辑，监督，资金获取。Mei LiFang：资源，概念构思。Liao LongXing：写作—审阅与编辑，监督。Ye Fan：写作—审阅与编辑，方法论，数据整理。Huang Hanlin：写作—初稿，形式分析，数据整理。

## 关于生成式人工智能和AI辅助技术在写作过程中使用的声明

在本工作的准备过程中，作者使用了ChatGPT来协助创建图1b中的示意图，以便清晰展示实验装置的工作原理和配置。该示意图不构成实验证据，所有图示组件均对应实验中实际使用的物理组件。在使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并承担全部……

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52375055、52575538和52305058）以及福建省自然科学基金一般项目（项目编号：2025J01343）为本研究提供的资助。

## 作者署名

作者不应将AI工具列为作者或共同作者，也不应将AI工具作为作者进行引用。作者署名意味着只能归属于人类并由人类承担和执行的责任和任务。每一位（共同）作者均需对其贡献负责……

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