成分相容的碳化钽增强激光熔覆WTaMoNb难熔高熵合金涂层：600°C下的微观组织演变、强化及摩擦学行为

《Surface and Coatings Technology》：Compositionally compatible NbC-reinforced laser-clad WTaMoNb refractory high-entropy alloy coatings: Microstructural evolution, strengthening and tribological behavior at 600 °C

　　

•提出了一种基于NbC的陶瓷增强策略，该策略与WTaMoNb激光熔覆涂层的成分具有兼容性。•7.5 wt%的NbC将晶粒尺寸细化至3.64 μm，并显著提高了硬度。•优化后的涂层在600°C下将磨耗率降低了81.9%。•过量NbC导致碳化物粗化、团聚以及三体磨粒磨损。

**引言**

随着航空航天、能源动力系统和先进热处理设备的发展，关键部件表面的服役环境已从单一的热/机械载荷演变为涉及温度、接触应力、摩擦剪切和氧化等多种效应同时作用的复杂多场耦合条件[1]，[2]。不同部件之间以及同一部件的不同区域表面温度差异显著：某些前端高温部件可能经历接近或超过1000°C的极端瞬态条件，而热作模具和中高温滑动副的接触界面通常工作在几百摄氏度的温度范围内[3]，[4]。值得注意的是，600°C是评估热处理模具和工具材料在中高温滑动接触条件下服役性能的广泛采用的基准温度，同时也代表了研究硬质增强相承载机制与摩擦致氧化膜稳定性之间相互作用的关键温度区间[5]，[6]。在如此严苛的中高温摩擦条件下，材料表面不仅经历塑性变形、犁沟和粘着转移，还发生摩擦致氧化、氧化膜"形成—脱落"的动态循环、磨屑致密化以及机械混合层（MMLs）的形成[7]。与基体结合紧密的致密氧化层可有效防止金属间的直接接触，显著降低磨损[8]。反之，如果氧化层疏松、脆性或因疲劳而脱层，则可能转化为硬质的"第三体"磨粒，引发严重的磨粒磨损[9]。因此，开发兼具高硬度、优异高温组织稳定性和中高温滑动条件下卓越耐磨性的新型表面防护材料，已成为克服先进热处理设备服役限制的关键科学挑战。

高熵合金，特别是由IVB–VIB族难熔元素组成的难熔高熵合金（RHEAs），提供了超越传统高温合金性能极限的新设计策略[10]，[11]。其中，等原子比的WTaMoNb合金通常形成单相体心立方（BCC）固溶体。受益于严重的晶格畸变、扩散迟滞动力学和强固溶体强化效应，这些合金表现出优异的高温强度保持能力。Senkov等人的开创性研究表明，MoNbTaW难熔高熵合金即使在1600°C时仍能保持约405 MPa的屈服强度，在高温退火后仍保持稳定的BCC固溶体结构，无明显拓扑密排相析出[12]，[13]。然而，W和Ta等元素价格昂贵，且WTaMoNb合金的理论密度较高，这在一定程度上限制了其作为整体结构材料的大规模工程应用[14]。相比之下，将WTaMoNb作为功能性涂层沉积到高强度钢或其他工程基体上，不仅充分利用了基体的承载能力，还将昂贵的难熔元素限制在薄层服役区内，从而在性能提升、材料成本和轻量化要求之间取得平衡。

在各种表面改性技术中，激光熔覆因其高能量密度[15]、小热影响区[16]、强冶金结合[17]和快速冷却速率[18]等优势，被认为是制备难熔高熵合金涂层的 effective 方法。快速凝固过程促进了固溶度的扩展，抑制了粗大脆性相的形成[19]，[20]，并在一定程度上减少了多主元合金凝固过程中的宏观偏析[21]，[22]。然而，WTaMoNb体系的各组成元素之间存在显著的热物性差异，包括熔点、密度、热导率和液相扩散系数；Nb与W的熔点差接近1000°C，且两者的密度也差异显著。这些差异会影响熔池中的熔化—混合—凝固行为，容易导致局部元素偏析、微观组织不均匀和残余应力集中[23]。此外，虽然单相BCC难熔高熵合金表现出优异的高温强度，但其在室温和中温下的硬度、抗塑性变形能力和耐磨性仍难以满足苛刻的摩擦学要求[24]，[25]。因此，在保持WTaMoNb基体高温稳定性的同时引入稳定且兼容的硬质增强相，是提升其在宽温度范围内耐磨性的有效途径。将TiC、WC、SiC、TiB2或Al2O3等陶瓷颗粒引入高熵合金涂层中，已被广泛用于提高涂层硬度、耐磨性和高温承载能力[26]，[27]。这些陶瓷相可以通过弥散强化、晶粒细化、载荷传递、裂纹偏转和Orowan绕过等机制增强涂层性能[28]。然而，对于由W、Ta、Mo和Nb等难熔元素组成的高熵合金体系，传统的"外源"陶瓷增强策略仍存在潜在风险。在激光熔覆过程中，陶瓷颗粒不可避免地经历瞬态高温、强热梯度和快速凝固循环，在此过程中，部分陶瓷相可能会溶解、分解或在界面发生反应。当增强相中的金属元素不属于基体合金成分时，释放的外来原子可能改变原始高熵固溶体的局部化学环境和热力学稳定性，引发Laves相或σ相等非协同脆性金属间化合物的析出，从而损害涂层的强韧性平衡和界面稳定性[29]，[30]。因此，如何在向RHEA基体引入陶瓷增强的同时避免外源元素带来的有害合金化效应，仍然是难熔高熵合金复合涂层设计中的关键挑战。

基于上述考量，本研究提出了一种针对RHEA基复合涂层的"成分兼容性"设计策略，即所引入陶瓷增强相的金属组成应源自基体合金的核心元素。该策略旨在降低引入名义基体成分中不存在的额外金属物种的风险。然而，仅凭成分兼容性并不能保证相稳定性或界面力学完整性，这些仍取决于实际的熔体化学和工艺条件。对于WTaMoNb体系，WC、TaC、Mo2C和NbC均可在有限意义上被视为成分兼容的候选碳化物——因为它们的金属组分已存在于名义WTaMoNb基体中。然而，仅凭这一成分匹配准则并不能确立不同碳化物之间的普遍性能排序，因为碳化物在激光熔覆过程中的行为受多种因素影响，包括颗粒尺寸、粉末形貌、激光能量输入、熔池成分、溶解/界面反应动力学和凝固条件。本研究选择NbC作为成分兼容增强相的代表，主要原因是Nb本身就是WTaMoNb基体的主要组成元素，且NbC属于高硬度难熔碳化物。以往的激光熔覆研究表明，外加NbC会根据基体和工艺条件的不同，表现出不同程度的界面相互作用、部分溶解和成分重新分布[31]，[32]。因此，本研究的核心目标是评估基于"成分兼容性"的NbC增强策略在WTaMoNb体系中的可行性及其对微观组织和性能的影响，而非证明NbC本质上优于WC、TaC或Mo2C等其他碳化物。然而，NbC/WTaMoNb复合涂层在热机械耦合条件下的耐磨响应行为、氧化磨损的演变机制及其在600°C中高温服役环境中的耐磨特性等方面的系统研究仍然不足。

为弥补上述研究空白，本研究采用42CrMo高强度钢作为基体，利用激光熔覆技术制备了NbC含量从0到10 wt%的NbC/WTaMoNb复合涂层。与传统的异源陶瓷增强策略不同，本工作充分利用了Nb作为WTaMoNb体系主要合金元素的成分优势，将NbC作为与基体具有高度成分兼容性的增强相引入。该设计方法有望在提供碳化物相关强化效益的同时，最大限度地减少与外来金属元素相关的界面污染和化学不兼容性，从而改善NbC增强相与WTaMoNb基体之间的相容性。然而，NbC在激光熔池中Fe的瞬态稀释效应下的演变行为及其与微观组织和力学性能的内在关系仍有待探讨。基于此，本研究不仅系统地揭示了NbC添加量对相组成、凝固形貌和600°C耐磨性的影响，还基于其微观组织特征讨论了细粒Nb/Ta富集的MC型碳化物相的潜在强化贡献。

**小标题片段**

**原材料与复合粉末的制备**

实验所用基体材料为调质处理的42CrMo合金钢（AISI 4140），尺寸为50 mm × 50 mm × 7 mm。在激光熔覆之前，基体表面依次使用80#至400# SiC砂纸打磨以去除表面氧化皮，然后在无水乙醇中超声清洗15分钟并干燥备用。

涂层前驱材料由等原子比WTaMoNb难熔高熵合金粉末（纯度

**宏观截面形貌分析**

图2(a)-(e)展示了S1–S5涂层样品的典型截面微观组织。可以观察到，所有样品均在42CrMo基体表面形成了连续涂层。涂层顶表面呈现轻微起伏的波形轮廓，这主要是由于相邻扫描道的搭接、熔池自由表面的流动行为以及凝固收缩所致[33]。在图2所示的观察尺度下，未观察到贯穿涂层的裂纹、宏观剥落或

**结论**

本研究采用激光熔覆技术在42CrMo钢上制备了不同NbC含量的WTaMoNb难熔高熵合金复合涂层，系统揭示了成分同族的NbC对相形成、微观组织演变、机械响应及600°C干摩擦滑动磨损行为的调控作用。主要结论如下：

(1) 所有含不同NbC

**CRediT作者贡献声明**

梅凯天：写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念构思。方洋洋：验证，调查，形式分析，数据整理。周智超：验证，数据整理。吴旺青：写作 – 审阅与编辑，验证，项目管理，经费获取，概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

**致谢**

作者感谢湖南省科技计划（项目编号2026JK2043）；湖南省科技计划（项目编号2026QK3016）；国家自然科学基金（项目编号52575469）；湖南省研究生创新项目（项目编号CX20250320）的资助。

梅凯天 | 方洋洋 | 周智超 | 吴旺青