激光熔覆316L不锈钢微纳米金属陶瓷涂层组织和性能研究.pdf

摘要

近年来，面对日益复杂的工况，具备优异性能的316L不锈钢因其较低的表面

硬度和耐磨性，其使用寿命明显降低。目前提高金属表面性能的技术主要有热喷涂、

电镀、离子注入、激光熔覆等，而激光熔覆制备金属陶瓷涂层是一种有效地延长其

使用寿命的方法。

本研究以316L不锈钢为研究对象，以提高其表面硬度和耐磨性作为目标，利

用激光熔覆技术，制备金属陶瓷强化层，分别研究陶瓷含量对复合涂层组织和性能

的影响。预置粉末选择nano-TiC和micro-TiB2作为增强相，分别与具有良好耐腐

蚀性的哈氏合金C-276、中熵合金CoCrNi、高熵合金FeNiCoCrMo按比例混合，

主要研究内容包括：

(1)研究了不同陶瓷含量对C-276涂层的影响。在C-276粉末中分别加入了

0wt.%、30wt.%、50wt.%、70wt.%的陶瓷制备了金属陶瓷复合涂层。结果表明随着

陶瓷含量的增加，粉末飞溅现象变得严重，涂层成形较差，表面凹凸不平。涂层的

相主要是Ni-Cr-Co-Mo、TiC、TiB2相。同C-276涂层相比，随着陶瓷颗粒的增加，

涂层的硬度和耐磨性有效提高，平均显微硬度最大可达1169HV。当陶瓷含量为

0.1

30wt.%的时候，得到强化的区域明显较少，而陶瓷含量为70wt.%的涂层，涂层内

部几乎全部得到强化。

(2)研究了不同陶瓷含量对CoCrNi涂层的影响。在CoCrNi粉末中分别加入

了0wt.%、10wt.%、30wt.%的陶瓷颗粒制备了金属陶瓷复合涂层。结果表明三种不

同陶瓷含量的涂层形貌良好，与基体结合较好。陶瓷颗粒的增加可以细化晶粒，在

细晶强化和弥散强化的作用下，硬度与耐磨性均有所提高，磨损损失量由基体的

0.0088g减少到0.0012g。通过AnsysWorkbench软件对激光熔覆过程进行模拟，模

拟结果与实验结果基本一致，CoCrNi涂层自底部至顶层分别出现了平面晶、树枝

晶和等轴晶。

(3)研究了不同陶瓷含量对FeCoNiCrMo涂层的影响。在FeCoNiCrMo粉末中

分别加入了0wt.%、5wt.%、10wt.%的陶瓷颗粒制备了金属陶瓷复合涂层。结果表

明涂层质量良好，其外观呈椭圆形。然而涂层的稀释率较大，涂层内部检测到了Cr-

Ni-Fe-C软质相，对涂层的显微硬度有明显的不利影响，平均显微硬度由563.16

HV0.1下降到305.08HV0.1。而陶瓷在涂层分布可以抵抗摩擦副的磨削作用，减小复

合的磨损损失重量，磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损。

关键词：表面改性、激光熔覆、金属陶瓷涂层、磨损机制

Abstract

Inrecentyears,inthefaceofincreasinglycomplexworkingconditions,316L

stainlesssteelwithexcellentperformanceduetoitslowsurfacehardnessandwear

resistance,itsservicelifeissignificantlyreduced.Atpresent,thecommonlyusedsurface

modificationtechniquesmainlyincludethermalspraying,plating,ionimplantation,laser

claddingandothermethods,andlasercladdingpreparationofmetalceramiccoatingsis

aneffectivewaytoimprovetheperformanceofthemetalsurfaceandextenditsservice

life.

Inthisstudy,316Lstainlesssteelwastakenastheob