采用激光熔覆技术制备的WC增强Ti3ZrV2Nb轻质耐火高熵合金涂层：微观结构与高温耐磨性

作者：胡健、方玉琪、董慧芳、姜强强、王蕾蕾、詹小红、郑勇

单位：南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏省南京市211106

摘要

开发具有高温度耐磨性的轻质难熔高熵合金（LRHEAs）仍然是一个重大挑战。在这项研究中，通过激光熔覆制备了一种添加了10 wt% WC的Ti₃ZrV₂Nb LRHEA涂层。WC的加入使涂层从单一的体心立方（BCC）固溶体转变为多相复合材料，该复合材料由BCC基体、残留WC、W₂C以及原位碳化物（(Nb,Ti)C和ZrC）组成。这种微观结构的演变促进了晶粒的细化，使室温硬度从418 HV_0.5提高到了545 HV_0.5，从而将磨损率降低了58.8%。值得注意的是，WC增强的涂层在高温下表现出优异的摩擦学性能，并伴有异常的表面硬化现象。在600°C时，硬度增加到742 HV_0.5，而摩擦系数和磨损率分别降低了47%和86.9%。这种改进主要归因于高温氧化过程中形成了致密的高硬度金属氧化物玻璃层。在800°C时，过度的氧化导致氧化层多孔化以及WC颗粒的部分界面脱粘，从而降低了耐磨性；尽管如此，磨损率仍比室温时低78.2%。这些结果表明，WC诱导的相强化结合温度控制的氧化为提高LRHEA涂层的耐高温磨损性提供了一种有效策略。

引言

Ti6Al4V是一种具有低密度、高强度和良好焊接性的钛合金，广泛应用于航空航天工业[1]、[2]、[3]。然而，其硬度低且耐磨性差，特别是在发动机热端部件（如涡轮和叶片）和起落架系统（如轴承和齿轮）的高温和高循环载荷下，容易发生磨损和失效，从而对飞行安全构成风险[4]、[5]、[6]。表面改性，如沉积高性能保护涂层，是提高耐磨性和使用寿命的有效策略[7]、[8]、[9]、[10]。其中，激光沉积技术被广泛使用：高能量密度的激光快速熔化合金粉末和基底表面，形成具有可调成分和性能的致密冶金结合涂层[11]、[12]、[13]。

高熵合金（HEAs）的独特性能源于四个核心效应——高配位熵、缓慢扩散、晶格畸变和所谓的“鸡尾酒效应”——这些效应共同赋予了它们优异的机械性能和广泛的应用潜力[14]、[15]、[16]。近年来，基于Ti、Zr、V和Nb等低密度难熔元素的轻质难熔高熵合金（LRHEAs）因具有低密度、高热稳定性和良好的机械性能而受到特别关注[17]、[18]。人们投入了大量努力来开发具有单相体心立方（BCC）或多相结构的Ti–Zr–V–Nb基LRHEAs。Senkov等人[19]报道了单BCC结构的TiZrV_xNb（x = 1, 2）合金，在室温下表现出超过900 MPa的压缩屈服强度，并在600°C时保持571至834 MPa的强度，尽管在800°C时出现了显著的软化。后续研究表明，通过成分调整可以进一步优化强度-延展性的平衡。例如，TiZrV_0.5Nb_0.5和Ti₃Zr_1.5V_xNb（x = 1, 2）合金在室温下的屈服强度为787–974 MPa，硬度值为250至300 HV，同时保持了合理的高温强度[20]、[21]。引入第二相已被证明可以增强硬度和高温性能。双相BCC/Laves结构的TiZr_0.5V₂Nb_0.5在800°C时的硬度为397 HV，并保持了378 MPa的压缩屈服强度[22]。系统地改变Ti或Nb的含量进一步发现，增加Ti通常会降低室温强度，但会改善高温压缩性能，而Nb则能提高BCC相的稳定性并在中等浓度（10 at.%）下最大化屈服强度[23]、[24]。一些LRHEAs还展示了良好的强度和延展性平衡，其拉伸屈服强度为770–900 MPa，伸长率超过18%，在某些优化成分下甚至超过30%或300%[17]、[25]、[26]、[28]。

章节摘录

材料选择与样品制备

高质量的球形Ti₃ZrV₂Nb LRHEA粉末是通过等离子旋转电极工艺（PREP）制备的，而球形WC粉末则是通过离心雾化制备的。Ti₃ZrV₂Nb粉末的粒径主要在20–80 μm范围内，WC粉末的粒径则在10至40 μm之间。图1(a,b)展示了两种粉末的SEM图像和粒径分布，表1总结了Ti₃ZrV₂Nb LRHEA的化学成分。

相组成分析

图2展示了两种涂层的SEM图像、EDS线扫描和XRD图谱。从图2(a–b)可以看出，涂层与Ti6Al4V基底结合良好，WC颗粒在Ti₃ZrV₂Nb LRHEA基体中均匀分布，没有明显的裂纹、孔洞或其他缺陷，这促进了均匀的增强和各向同性的性能。图2(c)显示了Ti₃ZrV₂Nb LRHEA涂层与基底界面的EDS线扫描结果。

结论

在这项研究中，通过激光熔覆在Ti6Al4V基底上制备了WC增强的Ti₃ZrV₂Nb LRHEA复合涂层，并系统地对其微观结构、相组成和形成机制进行了表征。详细研究了WC添加对硬度和摩擦学性能的影响，特别是在高温条件下的影响。本研究旨在为航空航天应用中轻质、高性能复合涂层的设计和开发提供见解。