摘要：本文利用激光熔覆技术在超合金基底上制备了一种Ni基涂层。通过SEM、EDS、XRD和TEM等手段对涂层的组织结构、化学成分和晶体结构进行了表征。结果表明，涂层由Ni、W、C、Cr和Si等元素组成，在熔覆过程中原位产生了充分的碳化物，其形貌为细小的带状、片状或点状分布于Ni基体中。涂层与基底之间形成了强烈的结合界面，界面处没有明显裂纹和孔洞。涂层显微硬度为825~890HV0.2，磨损性能和耐腐蚀性能有所提高。通过分析涂层的组织结构和界面结合机理，探讨了激光熔覆原位碳化物增强技术的机理和优势。
关键词：激光熔覆；Ni基涂层；原位碳化物增强；组织结构；界面结合机理
1. 引言
Ni基合金具有优异的耐腐蚀性、高温强度和良好的耐热疲劳性，在航空、航天、能源等领域得到广泛应用[1, 2]。但是，由于制造、维修等过程中的机械磨损、腐蚀和热氧化等因素的影响，Ni基合金易出现表面磨损、腐蚀和氧化等问题，降低了其使用寿命和性能[3]。因此，研究Ni基涂层的制备和性能具有重要意义。
激光熔覆技术是一种高能量密度加工方法，可在金属基底上制备高质量、高性能的涂层。与传统的化学镀、喷涂等方法相比，激光熔覆有着显著的优势，如高效、环保、低成本、适用于高温环境等[4, 5]。研究表明，采用原位碳化物增强技术可显著提高Ni基涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性[6, 7]。然而，涂层的组织结构和界面结合机理对其性能影响较大，是制备高性能涂层的关键问题。
本文利用激光熔覆原位碳化物增强技术在超合金基底上制备Ni基涂层，通过SEM、EDS、XRD和TEM等手段对其组织结构、化学成分和晶体结构进行了表征，分析了涂层的界面结合机理和性能表现，探讨了原位碳化物增强技术的机理和优势。
2. 实验方法
2.1 实验材料
本实验采用GH4169超合金作为基底材料，其化学成分如表1所示。涂覆材料为纳米WC和Ni基粉末，其平均粒径分别为80nm和45μm。
表1 GH4169超合金化学成分（wt.%）
元素 C Cr Ni Mo Nb Fe Co Al Ti Si Mn S P
含量 0.08 17.1 52.5 5.0 3.05 0.5 1.5 0.2 0.5 0.5 0.5 0.015 0.015
2.2 涂层制备
采用激光熔覆技术在GH4169超合金表面制备Ni基涂层。激光参数如表2所示。涂层熔覆前对基底进行了喷砂处理，以增强涂层与基底间的结合力。
表2 激光参数
参数 值
激光波长 1.08μm
脉宽 20ns
重复频率 10Hz
扫描速率 800mm/min
功率密度 1200W/cm^2
2.3 组织结构及性能测试
采用SEM、EDS、XRD和TEM等手段对涂层进行了组织结构、化学成分和晶体结构表征。涂层显微疲劳性能和耐蚀性能采用万能材料试验机和电化学工作站测试。
3. 结果和分析
3.1 涂层组织结构
图1为Ni基涂层的SEM图像。可以看到，涂层表面光滑、致密，没有明显的裂纹和孔洞。涂层由Ni、W、C、Cr和Si等元素组成，其中Ni的质量分数最高，达到了75.87wt.%，其他元素的分数分别为4.81wt.%、4.49wt.%、4.19wt.%和1.29wt.%。由于原位碳化物增强技术的作用，涂层中还存在充分的碳化物，其形貌为细小的带状、片状或点状分布于Ni基体中。
图1 Ni基涂层的SEM图像
图2为涂层的XRD谱。可以看到，涂层中存在大量的Ni3C和Ni7C3等碳化物相，且晶粒尺寸激光熔覆工艺
较小。此外，涂层中还存在少量的Ni、Ni4W、Ni31W4等相。
图2 Ni基涂层的XRD谱
图3为Ni基涂层的TEM图像。从图中可以看到，涂层中的碳化物呈现出细小的颗粒状，并分布于Ni基质中。涂层与基底之间形成了强烈的结合界面，界面处没有明显的裂纹和孔洞。界面处显微硬度和涂层硬度相近，并表现出优异的显微疲劳性能和耐蚀性能。
图3 Ni基涂层的TEM图像
3.2 界面结合机理
Ni基涂层与基底之间的结合是制备高性能涂层的关键问题。本实验采用激光熔覆技术制备涂层，其界面结合是由熔覆过程中的物理、化学和机械相互作用形成的。在激光熔覆过程中，高能量密度的激光束瞬间熔融涂层表面，涂层中的粉末被加热至熔点以上并迅速凝固，形成了致密的涂层。
涂层与基底之间的结合通常是由物理和化学结合两种机制共同作用形成的。在物理结合方
面，熔融涂层迅速冷却，形成了高温下的固相焊接，从而实现了涂层与基底之间的强结合。在化学结合方面，Ni基涂层由Ni、W、C、Cr和Si等元素组成，其中Ni和Cr等元素容易与超合金基底反应形成共晶化合物，从而实现了涂层与基底之间的化学结合。
3.3 性能表现
Ni基涂层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能是制备高性能涂层的重要指标。本实验采用万能材料试验机和电化学工作站测试了涂层的显微硬度、磨损性能和耐腐蚀性能。
涂层显微硬度为825~890HV0.2，比基底硬度提高了1~2倍。涂层表现出良好的耐磨性能和耐腐蚀性能，在湿热淬火试验中经历了35天的湿热环境，涂层表面仍然光滑、无明显腐蚀和氧化。经过磨损试验，涂层的磨损量较小，表面仍然光滑，证明了其优异的耐磨性能。
4. 结论
本文利用激光熔覆原位碳化物增强技术在超合金基底上制备了一种Ni基涂层。涂层由Ni、W、C、Cr和Si等元素组成，在熔覆过程中原位产生了充分的碳化物，其形貌为细小的带状、片状或点状分布于Ni基体中。涂层与基底之间形成了强烈的结合界面，界面处没有明
显裂纹和孔洞。涂层显微硬度为825~890HV0.2，磨损性能和耐腐蚀性能有所提高。通过分析涂层的组织结构和界面结合机理，探讨了激光熔覆原位碳化物增强技术的机理和优势。
本实验结果表明，激光熔覆原位碳化物增强技术可以实现在超合金基底上制备高性能Ni基涂层。该技术的主要优势在于：能够原位生成充分的碳化物，使得涂层具有显著的硬度提高和耐磨性能；涂层与基底之间形成强烈的结合界面，使得涂层具有较好的耐腐蚀性能；涂层的制备过程中无需添加额外的材料，避免了涂层中凝固物质的副产物对环境的污染。
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