在磁场辅助等离子熔覆过程中，通过CoNi涂层WC增强CoCrFeNiMn高熵合金涂层的强化机制

时间：2026年1月24日

来源：Surface and Coatings Technology

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高熵合金涂层磁辅助等离子喷涂制备及性能优化研究。采用CoNi涂层WC颗粒增强的CoCrFeNiMn HEA粉末，通过60mT磁场调控熔池动力学，实现WC颗粒均匀分布（摩擦系数0.47）和晶粒细化（FCC与M3W3C相协同强化），硬度提升25.7%至365.7 HV0.2。

帅丽|孙毅|张亮亮|刘忠英

华北水利水电大学机械工程学院，中国郑州，450045

摘要

添加陶瓷颗粒的高熵合金（HEA）复合涂层已成为防止摩擦和磨损的关键策略之一。为了提高WC颗粒与HEA粉末之间的润湿性，将CoNi涂层的WC颗粒引入到CoCrFeNiMn HEA粉末中。随后，通过磁场辅助等离子熔覆技术在Q235钢上制备了CoCrFeNiMn/30YGN20（70 wt% CoCrFeNiMn + 30 wt% YGN20（80 wt% WC，10 wt% Ni，10 wt% Co）HEA涂层，并系统研究了其强化机制。结果表明，在熔覆过程中，CoNi涂层的WC颗粒与基体发生反应形成M₃W₃C相，从而增强了增强相与基体之间的界面结合强度。同时，磁场引起的电磁制动效应使得WC颗粒分布更加均匀。此外，磁场产生的热电磁对流细化了FCC基体和M₃W₃C相的晶粒，并促进了涂层内部孪晶的形成。这些机制共同通过第二相强化、固溶强化和晶界强化显著提高了涂层性能。因此，随着磁场强度的增加，表面硬度从292.7 HV_0.2提高到了365.7 HV_0.2。在低磁场下，磨损行为主要表现为氧化磨损和粘着磨损；而在高磁场下，磨损行为转变为稳定的磨料磨损，这归因于晶粒细化和WC颗粒的参与。在60 mT的磁场强度下，该涂层的耐磨性最佳，摩擦系数为0.47。

引言

摩擦引起的降解是热机械耦合下材料寿命的主要限制因素[1]，[2]。传统的解决方法，如几何优化或接触运动学修改，通常受到工程可行性和成本的限制[3]。由于消除高应力摩擦和抑制高温损伤的难度较大，表面改性技术成为延长使用寿命和提高可靠性的更可行方法[4]。在各种表面改性技术中，等离子熔覆（PC）已成为制备高性能保护涂层的重要方法[5]。PC能够与基体形成牢固的冶金结合，并且热输入可控。在涂层材料选择方面，Yeh等人提出的高熵合金（HEA）因其优异的机械性能和热稳定性而受到广泛关注[6]，[7]，[8]，[9]。特别是等原子比的CoCrFeNiMn HEA具有稳定的面心立方（FCC）结构，成分均匀性高，并具有明显的构型熵效应，使其成为开发先进HEA系统的重要基体合金。然而，单相HEA的固有硬度和耐磨性仍不足以满足苛刻的工程应用需求。最近，将陶瓷颗粒加入HEA涂层中形成金属基复合材料已成为提高涂层硬度和耐磨性的常用策略[10]。陶瓷相有助于异质形核，并作为位错运动的屏障，从而显著改善涂层的机械性能[11]，[12]。在众多陶瓷颗粒添加剂中，WC是最常用的增强相之一，因为它具有高硬度、化学稳定性和良好的界面相容性。张等人[13]证实，在高温激发下，WC颗粒部分转变为硬质六方密排（HCP）W₂C相。同时，在界面处形成了M₃W₃C扩散层，有效增强了增强相与基体之间的冶金结合。刘等人[14]报告称，CoCrFeMnNi/xWC HEA涂层的硬度和耐磨性随WC含量的增加而逐渐提高。硬度的提高主要归因于沉淀强化和位错强化的协同作用。尽管之前的研究对WC增强的高熵合金涂层提供了相对全面的见解，但WC颗粒与基体之间的弱界面结合仍然是一个主要问题。Jayaraj等人[15]和Ji等人[16]的研究指出，Co和Ni与WC具有优异的润湿性。为了提高涂层的综合强度和韧性，将CoNi涂层的WC颗粒与NiBSi30基体协同结合，制备了多尺度NiBSi30/YGN20复合涂层[17]。W₂C和M₆C碳化物的原位形成以及它们之间的强界面结合增强了承载能力并减少了增强相的剥落。然而，关于将CoNi涂层的WC颗粒加入HEA中的研究仍然有限。

在制备颗粒增强型HEA涂层时，陶瓷颗粒的均匀分散至关重要。在凝固过程中，颗粒在熔池中受到浮力、马兰戈尼对流和凝固引起的收缩应力等多种驱动力的作用。这些力之间的复杂相互作用容易导致颗粒聚集或沉淀，最终破坏涂层的微观结构均匀性[18]，[19]。此外，涂层的晶粒尺寸和界面结合与熔池动态密切相关。一般来说，熔池流动速度越快，晶粒细化效果越好[20]。外部磁场的应用为调节这些熔池行为提供了有效手段[21]。在IN718/WC体系中[22]，磁场的应用有效改变了马兰戈尼对流并调节了颗粒迁移，从而实现了晶粒细化和增强相的均匀分布。Huo等人[23]报告称，在20 mT的静态磁场（SMF）下，小颗粒倾向于从熔池中浮出，导致熔池中形成亚微米级、羽毛状和等轴的共晶碳化物。此外，磁场还通过洛伦兹力抑制了熔池中的不稳定湍流和气泡形成[24]。然而，关于磁场如何影响瞬态熔池流动、WC颗粒分布以及由此产生的微观结构-性能关系的定量研究仍然有限。

本研究聚焦于YGN20增强的CoCrFeNiMn HEA复合涂层。使用COMSOL模拟预测了不同磁场强度下的熔池流动和颗粒迁移情况，随后制备了相应的涂层，并系统表征了涂层的相组成、微观结构、晶粒尺寸、硬度和摩擦学性能。通过将模拟结果与实验观察结果进行对比，本研究阐明了磁场辅助如何影响WC分布和晶粒细化的机制。

样品制备

涂层制备所用原材料包括Q235基材（100 mm × 120 mm × 10 mm），其化学成分如表1所示。前驱体材料包括真空雾化CoCrFeNiMn HEA粉末（45–105 μm）和YGN20粉末（53–150 μm）。所有粉末的纯度均高于99.5%。其中，YGN20粉末含有80 wt% WC、10 wt% Ni和10 wt% Co。Co和Ni可以提高WC与金属基体之间的相容性。

控制方程

熔池的凝固过程采用有限元方法进行数值模拟，重点关注流场。初始计算域为一个60 × 10 × 1 mm³的矩形区域。在模拟过程中，考虑了质量、动量和能量传递以及由此产生的固液相变。所采用的控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，以准确描述流动和热传递

相组成

图4展示了在不同磁场强度下制备的CoCrFeNiMn/30YGN20 HEA涂层的XRD图谱，表明涂层由WC、FCC相、W₂C相和M₃W₃C相组成。观察到的相与CoCrFeNiMn/30YGN20的相组成一致[27]，表明磁场的应用并未改变涂层的原始相组成。此外，WC、W₂C和M₃W₃C的特征衍射峰也得到了验证