不同预热温度下高速激光熔覆制备的CrMo?.?Ni?.?TiVIn?.?-TiN高熵合金复合涂层的微观组织与摩擦学性能

《Surface and Coatings Technology》：Microstructure and tribological properties of CrMo 0.1Ni 0.5TiVIn 0.4-TiN high entropy alloy composite coatings prepared by high-speed laser cladding with different preheating temperatures

　　

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  适当的预热促进了原位Ti₂InN MAX相的析出。
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  基板预热促进了共晶微观结构的形成。
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  150 °C预热下大量的氮化物析出提高了涂层的硬度。
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  具有层状共晶结构的涂层表现出最佳的耐磨性能。

引言

在航空航天领域，随着直升机和高速飞机的快速发展，传动部件在飞行过程中不可避免地会发生摩擦。瞬时的启动和加速很容易导致接触面温度急剧升高，在极端条件下可能导致部件的磨损失效[1]，[2]，[3]。因此，解决传动部件表面的高温摩擦磨损问题，以确保飞机在服役期间的可靠性和安全性，至关重要。表面工程技术是提高部件抗摩擦和耐磨性能的最有效方法之一[4]，[5]，[6]，[7]。在表面工程技术领域，激光加工技术，如激光定向能量沉积（L-DED）[8]、激光粉末床熔融（LPBF）[9]和激光熔覆（LC）技术[10]，常用于表面修复和功能性涂层的制备。在激光加工技术中，可以通过调节包括粉末送粉速率、激光功率和扫描速度在内的工艺参数，精确控制颗粒尺寸、微观形貌和相组成等微观结构特征。例如，Li等[11]在LPBF过程中通过激光调制的热流控制，调节熔体流动速率，控制熔池的稳定性，并精确控制热流方向，成功制备了整体无裂纹的单晶高温合金。Wang等[12]建立了L-DED工艺激光参数与人字形结构形成之间的关系图，从而对NiTi形状记忆合金的微观结构、拉伸塑性和超弹性应变实现了精确控制。传统激光加工尽管具有前景，但由于基板能量吸收过多导致稀释率高和沉积速率低，限制了其应用，降低了基板性能并影响了有效零件的再制造[13]。

高速激光熔覆技术（HLC）作为一种先进的表面改性技术，为提高部件的硬度和耐磨性能提供了一种新方法。它在航空航天和机械制造领域显示出广阔的应用潜力[14]，[15]。与传统激光熔覆技术相比，HLC的区别在于它利用高功率激光束熔化基板上的粉末，且扫描速度更快（通常为2–20 m/min）[16]，[17]，[18]。因此，在熔覆过程中对基板的热影响较小，熔覆效率和粉末利用率显著提高[19]，[20]。此外，由于其快速凝固特性，它还有助于晶粒细化和亚稳相的形成[18]，[21]，进而提高涂层的机械性能和耐磨性。因此，HLC在传动部件耐磨强化领域具有广阔的应用前景。

除了制备技术外，材料体系的设计也对涂层的性能起着至关重要的作用。高熵合金（HEA）由于其灵活的设计、独特的结构和优异的综合性能，已成为新的研究热点[22]，[23]，[24]。其中，由难熔过渡金属组成的新型高熵合金相比镍基高温合金具有更优越的抗软化性能和热稳定性，使其在高温应用中具有广阔的前景，并成为航空航天、海洋工程和核能等行业的重要材料[25]，[26]，[27]。为了实现涂层在高温下抗摩擦性能和耐磨性的平衡，一方面可以使用润滑作为提高抗摩擦性能的重要策略[28]，[29]。另一方面，添加硬质相有利于原位合成纳米级或亚微米级陶瓷相，从而提高涂层的耐磨性[30]。添加固体润滑剂（如Ag、In、CaF₂）可以改善HEA涂层在磨损过程中塑性变形和界面剪切，从而减少磨损程度[31]，[32]。添加陶瓷相（如NbC、WC、TiN）可以通过HLC诱导HEA涂层中易氮化或碳化元素（如Ti、Cr）的原位反应，促进新型陶瓷相的形成，从而提高HEA涂层的耐磨性[33]，[34]。在室温及高温下，涂层可以通过硬质陶瓷相和软质润滑相的协同作用，实现减摩和耐磨性能的协同提升[35]。Geng等[36]研究了CoCrFeNiAl HEA与hBN和Ag颗粒复合材料从室温到800 °C的摩擦学性能，发现这种基于HEA的复合材料在600 °C以下表现出优异的摩擦学性能。同时，大量研究表明，引入微/纳米尺度结构有助于改善机械性能[37]，[38]。Fan和Liu[39]通过调节刚度比和梯度指数，降低了梯度纳米结构涂层中接触应力的峰值，从而提高了耐磨性。Yu等[40]通过分子尺度的表面工程，制备了用混合膦酸自组装单层（SAMs）修饰的Zr-Cu-Al-Ni块体金属玻璃。SAMs膜在110 °C下提供了稳定的润滑，有效改善了Zr基BMG的表面摩擦学性能。因此，有必要开展陶瓷相增强HEA复合涂层中引入微/纳米结构及其宽温域摩擦学性能的研究，而此类涂层的工程应用潜力仍有待进一步探索。

本研究选择了具有优异抗摩擦、耐磨和高温抗氧化性能的CrMo_0.1Ni_0.5TiVIn_0.4作为原始自润滑HEA涂层体系。此外，还适当添加了10 wt%的微米级TiN颗粒。由于HLC的快速凝固特性以及HEA与TiN陶瓷颗粒之间的热物性差异，可能会出现裂纹和孔隙等缺陷。因此，在本研究中，通过预热辅助HLC在TC4表面制备了CrMo_0.1Ni_0.5TiVIn_0.4-10wt.%TiN（简称10TiN）HEA复合涂层。通过在不同温度下预热基板，抑制了制备过程中由于材料热膨胀系数差异引起的裂纹。并研究了预热温度变化对涂层的相组成、微观结构和高温摩擦学性能的影响。本研究为高速激光熔覆陶瓷相增强HEA复合涂层技术在高温摩擦等极端环境中的应用提供了理论基础。

章节摘要

实验

在本实验中，高速激光熔覆用CrMo_0.1Ni_0.5TiVIn_0.4 HEA粉末由Cr、Mo、Ni、Ti、V和In粉末（纯度：>99.5%，粒径：75–150 μm）制备而成。选择纯度为99.9%、粒径在53至150 μm之间的TiN颗粒作为增强HEA涂层性能的陶瓷增强颗粒。CrMo_0.1Ni_0.5TiVIn_0.4 HEA粉末和TiN颗粒的化学成分列于表1。将粉末混合

微观结构

不同预热温度下10TiN HEA涂层的XRD图谱如图1所示。10TiN HEA涂层的主要组成相为BCC相、NiTi₂相、Ti₂Ni₂In相、TiN相、MN相和In氮化物相。其中，MN相通过TiN相（PDF 04-003-4495）、CrN相（PDF 97-002-6949）和VN相（PDF 97-018-1080）的衍射峰来识别，表明一些TiN陶瓷颗粒在

结论

本文采用预热辅助HLC技术成功制备了CrMo_0.1Ni_0.5TiVIn_0.4-TiN HEA复合涂层。研究了预热温度对涂层微观结构、显微硬度和摩擦学性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  不同预热温度下的10TiN HEA涂层均由BCC相、NiTi₂相、Ti₂Ni₂In相、TiN相、MN相和In氮化物相组成。预热温度的变化具有

作者贡献声明

Qi Zhang：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿撰写，验证，方法学，调查研究。Xiufang Cui：撰写——原稿撰写，监督指导，资源提供，资金获取。Guo Jin：撰写——审阅与编辑，监督指导，项目管理，资金获取。Meng Qi：撰写——审阅与编辑，验证，方法学。Mingkun Fu：验证，方法学，调查研究。Shuowei Tian：方法学，调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52475182）的资助。

Qi Zhang|Xiufang Cui|Guo Jin|Meng Qi|Mingkun Fu|Shuowei Tian