1 浙江工业大学 激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310023
3 浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310023
4 杭州汽轮动力集团股份有限公司，浙江 杭州 310020
面向海洋、矿山等领域机械部件表面耐磨防蚀涂层制备需求，针对陶瓷颗粒强化涂层高耐磨性能与高耐腐蚀性能难以兼容的问题，搭建了超声辅助激光熔覆试验平台，制备了有无超声作用下的碳化钨(WC)颗粒强化涂层。研究了超声对复合涂层微观组织形貌、元素分布、WC表面合金层厚度的影响规律，并进一步开展了有无超声试样硬度、摩擦磨损与耐蚀性能测试。结果表明：超声振动能够细化晶粒，平均晶粒尺寸从101.0 μm降至59.6 μm，抑制偏析，促使WC表面合金层溶解与熔覆层元素的均匀分布；超声作用下，试样平均显微硬度由310 HV0.1提升至425 HV0.1，同时超声作用下WC颗粒周围硬度分布更加均匀；有无超声作用下试样失重量分别为6.5 mg和8.8 mg，试样磨损率分别为0.0323 mg/m和0.0438 mg/m，试样磨损率降低了26.2%；超声作用下试样腐蚀电流密度由5.20 μA/cm2降低为2.13 μA/cm2，同时电化学阻抗谱表明超声作用下试样表面具有更大的电容阻抗环、阻抗模量与相角值。
激光熔覆 WC颗粒强化涂层 超声 耐磨性能 防腐性能 laser cladding WC particles reinforced coating ultrasonic vibration wear resistance corrosion resistance 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230542
1 中国民航大学航空工程学院，天津 300300
2 中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300300
为了提高球墨铸铁的耐磨损性能，采用原位生成和直接添加TiC的方法激光熔覆制备TiC-Ni25金属复合涂层，研究不同Ti添加量对TiC-Ni25复合涂层微观组织、显微硬度以及25，200，400 ℃温度下的摩擦磨损性能的影响。结果表明：具有较强导热性和促石墨化的Ti元素减少了复合涂层与基体结合区莱氏体的生成；Ti作为强碳化物形成元素也促进了TiC的原位生成，TiC在涂层中起到细晶强化、晶间强化和弥散强化的综合作用，提高了涂层的耐磨性能，同时起到控制复合涂层气孔、裂纹缺陷的作用。添加Ti后原位生成TiC，TiC对涂层硬度的增强作用与富集Ti对涂层的增韧作用呈现互斥效应。5%Ti-10%TiC-Ni复合涂层的显微硬度较2%Ti-10%TiC-Ni和8%Ti-10%TiC-Ni复合涂层更高，而且该涂层在各环境温度下所表现出的摩擦磨损性能也更好，主要是因为形成了致密氧化膜，强化了对磨损区域的保护。200 ℃时各复合涂层的摩擦因数、磨损体积和磨损率均增大，这是由于粗糙氧化膜的形成降低了耐磨性能。复合涂层在25 ℃温度下的主要磨损机制为磨粒磨损和轻微黏着磨损，在200 ℃和400 ℃时主要是氧化磨损、疲劳磨损和黏着磨损。
激光熔覆 复合涂层 TiC 摩擦磨损 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0514007
西北工业大学 超高温结构复合材料国防科技重点实验室, 纤维增强轻质复合材料陕西省重点实验室, 西安 710072
新一代高超声速飞行器热端部件服役温度不断提高, 对表面防护涂层的相稳定性和抗烧蚀性能提出了更高的要求。本工作针对传统过渡金属氧化物ZrO2、HfO2涂层开展高熵化设计, 采用高温固相反应结合超音速大气等离子喷涂制备(Hf0.125Zr0.125Sm0.25Er0.25Y0.25)O2-δ(M1R3O)、(Hf0.2Zr0.2Sm0.2Er0.2Y0.2)O2-δ(M2R3O)、(Hf0.25Zr0.25- Sm0.167Er0.167Y0.167)O2-δ(M3R3O)三种高熵氧化物涂层, 探究稀土组元含量对高熵氧化物涂层的相结构演变规律、相稳定性以及抗烧蚀性能的影响。M2R3O涂层和M3R3O涂层呈现优异的相稳定性和抗烧蚀性能, 涂层经热流密度为2.38~2.40 MW/m2的氧-乙炔焰烧蚀后仍保持物相结构稳定, 未发生固溶体分解或析出稀土组元。其中M2R3O涂层循环烧蚀180 s后的质量烧蚀率与线烧蚀率分别为0.01 mg/s和-1.16 μm/s, 相比M1R3O涂层(0.09 mg/s、-1.34 μm/s)以及M3R3O涂层(0.02 mg/s、-4.51 μm/s), 分别降低了88.9%、13.4%以及50.0%、74.3%, 表现出最优异的抗烧蚀性能。M2R3O涂层的抗烧蚀性能优异归因于其兼具较高的熔点(>2200 ℃)和较低的热导率((1.07±0.09) W/(m·K)), 使其有效防护内部的SiC过渡层以及C/C复合材料免受氧化损伤, 避免了界面SiO2相形成所导致的界面开裂。
高熵陶瓷 过渡金属氧化物 热喷涂 热防护涂层 抗烧蚀 C/C复合材料 high-entropy ceramic transition metal oxide thermal spray thermal protection coating ablation resistance C/C composite
耐高温陶瓷作为高熔点材料，具有优异的高温抗烧蚀性能，有可能满足未来抗激光防护的需求。为摸清ZrB2陶瓷涂层抗激光防护性能，采用高功率固体激光器作为测试光源，搭建了激光烧蚀实验平台和激光耦合特性测量系统，重点对ZrB2陶瓷涂层开展了激光烧蚀实验和涂层反射率测试。实验研究了不同激光参数条件下ZrB2涂层抗激光烧蚀性能，以及掺杂相（SiC、MoSi2）的影响。结果表明，相比于未掺杂ZrB2涂层，掺杂后ZrB2涂层抗激光烧蚀能力明显下降。分析认为掺杂相可提高ZrB2涂层抗氧化性能，但不利于发挥氧化生成物ZrO2的高反射和隔热作用，致使抗激光损伤阈值降低。激光损伤前后涂层反射率的测试结果，也证实了ZrO2的高反射率是增强ZrB2涂层抗激光损伤阈值的关键。同时，利用有限元软件建立了连续激光烧蚀下ZrB2陶瓷涂层温度计算模型，并以基底发生熔化为判据，仿真得到了陶瓷涂层典型的抗激光烧蚀阈值参数。
陶瓷涂层 硼化锆 掺杂相 激光烧蚀 反射率 温度 ceramic coating ZrB2 doped phase laser ablation reflectance temperature
1 1.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室, 上海 200050
3 3.中国科学院大学 材料科学与光电工程研究中心, 北京 100049
4 4.上海大学 生命科学学院, 200444
钛及其合金以其优异的机械性能和生物相容性而被广泛应用作硬组织植入器械, 但其表面缺乏生物活性以及植入后的炎症反应易导致骨整合不佳。本研究利用不同气氛中的热处理工艺调控氧化钛涂层的润湿性, 并研究表面润湿性能对免疫反应和成骨性能的影响规律。研究结果表明, 与亲水(接触角~10º)的氧化钛涂层相比, 处于亲水/疏水临界状态的氧化钛涂层(接触角’90º), 在仅培养巨噬细胞时, 抑制了巨噬细胞向M1促炎方向极化; 在共培养小鼠骨髓间充质干细胞和巨噬细胞时, 促进了巨噬细胞向M2抗炎方向极化, 同时显著上调了骨髓间充质干细胞成骨相关标记物的基因表达, 显示出更好的免疫促成骨性能。
表面润湿性 氧化钛涂层 退火 免疫成骨 surface wettability titanium oxide coating annealing osteoimmunomodulatory effect
1 1.南京工业大学 材料科学与工程学院, 南京 211816
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
针对高性能激光防护涂层的开发问题, 根据聚碳硅烷(PCS)裂解时会消耗大量激光能量, 并产生高温陶瓷保护相的特点, 本研究创新性地提出在传统氧化钇稳定氧化锆(YSZ)隔热涂层表面再复合PCS烧蚀型涂层的防护思路, 采用料浆法结合大气等离子喷涂技术(APS)在Ni基合金表面分别制备了NiCrAlY/YSZ/PCS-TiO2(YPT)和NiCrAlY/YSZ/PCS-Y2O3(YPY)涂层。在研究TiO2和Y2O3添加相对PCS裂解行为影响的基础上, 系统研究了YPT和YPY复合涂层对10.6 μm CO2激光器的抗激光烧蚀性能, 并与单层YSZ涂层进行比较。结果表明, YPY和YPT复合涂层比传统YSZ涂层的激光防护效果更好, 这是因为在激光烧蚀初期, 涂层表面的PCS裂解会消耗激光能量, 且烧蚀后残余的Y2SiO5、SiC和SiO2相会沉积在YSZ涂层上, 形成致密的保护层, 继续对YSZ涂层进行激光防护。YPY比YPT涂层激光防护性能更好, 这是因为Y2O3具有高热导率和低热膨胀系数, YPY涂层产生的温度梯度更小, 从而缓解热应力, 且Y2O3参与PCS的裂解生成了Y2SiO5相, 比TiO2更能抑制PCS裂解引起的体积膨胀。此外YPY涂层中心烧蚀温度更高, 生成PCS裂解产物SiC和SiO2相的速度更快, 能及时保护下方涂层, 表现出更好的抗激光烧蚀性能。该研究有望为新型抗激光复合涂层的设计提供研究思路。
聚碳硅烷 添加相 复合涂层 裂解 抗激光烧蚀性能 polycarbosilane addition composite coating pyrolysis laser ablation resistance
1 兰考三农职业学院智能制造系，河南 开封 475300
2 大连理工大学郑州研究院，河南 郑州 450048
3 盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001
以钻头W6Mo5Cr4V2高速钢为研究对象，分别以圆形与方形两类光斑实施激光熔覆，制得TiAlSiN涂层，比较涂层组织形态和力学性能特点。研究结果表明：涂层中存在BCC相与部分MC相，激光熔覆后生成了(Fe, Cr)固溶体。涂层中形成明显的胞状晶粒与许多弥散分布的细小颗粒物，方形光斑涂层形成许多不规则的树枝晶与颗粒形态的碳化物，提升了涂层均匀性。圆形光斑与方形光斑涂层达到比基体更大的硬度，方形光斑涂层比圆形光斑硬度更大，整体分布形态也更加均匀。圆形光斑涂层平均摩擦因数为0.72，方形光斑涂层平均摩擦因数为0.56；圆形光斑涂层呈现明显的黏着磨损特征，方形光斑涂层主要表现为磨粒磨损的特征。
激光熔覆 斑点 TiAlSiN涂层 耐磨性 laser cladding spots TiAlSiN coating wear resistance
1 广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088
2 广东省智慧海洋传感网及其装备工程技术研究中心广东 湛江 524088
3 广东海洋大学机械与动力工程学院，广东 湛江 524088
在304不锈钢表面预置不同质量分数的Fe60和WC复合粉末，采用光纤激光加工系统制备金属-陶瓷复合熔覆层。分别从宏观形貌、微观组织、物相分析、硬度分布等角度研究涂层的组织结构及性能。结果表明：复合熔覆层冶金结合良好，过渡区、热影响区生成CrC及WCx等硬质相，提高了熔覆层的硬度，对复合涂层力学性能有显著影响；当WC的质量分数比例为3%时，熔覆涂层的平均硬度为995 HV，约为304不锈钢基体的5倍，且高于其他质量分数比例的复合熔覆层。
304不锈钢 激光熔覆 表面改性 复合涂层 304 stainless steel laser cladding surface modification mixed coating
1 华东交通大学轨道交通基础设施性能检测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013
2 浙江师范大学浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，浙江 金华 321005
研究所设计Fe基和Co基合金激光熔覆层的组织结构及海水环境下摩擦磨损行为，用于解决地铁ER9车轮钢表面防护与修复问题。采用激光熔覆技术在ER9车轮钢表面制备Fe基合金涂层和Co基合金涂层，利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对比分析了两种熔覆层的微观组织结构、物相及化学元素组成，利用往复摩擦试验机考察了其在海水环境下的摩擦学性能。结果表明：在海水环境下的滑动摩擦中，车轮钢基体表面覆盖了大面积腐蚀产物且呈现出大量平行于滑动方向的沟槽。而在两种熔覆涂层中，铁基合金涂层主要由α-Fe、(Fe,Ni)和Cr7C3等固溶体组成，平均硬度(约638.8 HV)相当于基体(284.8~293.2 HV)的2.21倍，摩擦因数约为0.270，磨损率为9.64×10-5 mm3/(N·m)，磨损机制以轻微磨粒磨损为主，同时伴有腐蚀磨损。钴基合金涂层的结晶相主要是FeNi3相、γ-Co相和Cr23C6相，平均硬度(约467.9 HV)是基体约1.62倍，摩擦因数约为0.225，磨损率为3.06×10-5 mm3/(N·m)，磨损机制主要为轻微氧化磨损。
激光熔覆 海水 铁基合金涂层 钴基合金涂层 微观组织 摩擦磨损 laser cladding seawater iron-based alloy coating cobalt-based alloy coating microstructure friction and wear
1 陕西理工大学机械工程学院，陕西 汉中 723001
2 陕西省工业自动化重点实验室，陕西 汉中 723001
为研究重熔功率对Inconel 718镍基自润滑涂层组织与性能的影响规律，采用激光熔覆技术在27SiMn钢板材上制备Inconel 718熔覆涂层，选用三种不同的激光功率二次重熔熔覆试样。使用超景深显微镜观察熔覆层表面形貌及金相组织，使用显微硬度计检测熔覆层的显微硬度，使用销-盘式摩擦磨损试验机检验及评价熔覆层的摩擦磨损性能。结果表明，激光重熔后熔覆层的晶粒得到明显的细化，随着重熔功率的增加，熔覆层晶粒尺寸先减小后增大，重熔功率为1 260 W时，熔覆层顶部晶粒尺寸最均匀细小；重熔后熔覆层的硬度均有较大提高，相较未重熔试件硬度最高可提升22%；从磨损形貌来看，试样的磨损机理主要为磨粒磨损，经重熔后试样的摩擦系数及磨损失重均得到了明显的降低。分析摩擦磨损试验数据可知，重熔功率在1 260 W时，试件的耐磨性能最好。
重熔功率 Inconel 718涂层 耐磨性能 显微组织 硬度 remelting power Inconel 718 coating wear-resisting performance microstructure hardness
