1、序言
在復雜惡劣的工況下，金屬零部件表面由于摩擦磨損導致金屬零部件表面失效和使用壽命下降，造成不可挽回的經濟損失，嚴重的還會導致一系列安全事故的產生 [1]。隨著科學技術的發展，等離子噴涂 [2]、物理氣相沉積(PVD) [3]、化學氣相沉積(CVD)[4]、堆焊 [5]、滲碳 [6]、滲氮 [7]與激光熔覆 [8]等表面改性技術已被廣泛應用，用來增強金屬零部件的表面硬度和摩擦磨損性能。激光熔覆技術是通過高能激光束對粉末或絲材進行熔化后沉積到金屬基體表面進行修復和強化的一種表面改性技術，相比于傳統的表面改性技術，激光熔覆具有熔覆材料來源廣泛，金屬、合金、陶瓷和復合材料都可作為熔覆材料使用，通過對參數的控制，可實現對熔覆層形貌和性能的精確控制，以制備高質量的熔覆層，通過制備高性能熔覆層，延長金屬零部件的使用壽命，對損壞的金屬零部件進行修復，降低更換成本，成為現代工業中最為重要的表面改性技術之一，具有廣闊的應用前景 [9-12]。
鎳基合金具有良好的潤濕性、抗氧化性、摩擦磨損性能、耐腐蝕性和自溶性等綜合性能，以及合適的價格，是激光熔覆的首選材料 [13, 14]。隨著社會工業的發展和應用環境對金屬零部件表面摩擦磨損性能的要求增加，單一的鎳基合金熔覆層，在應對不同惡劣工況時，性能有限，為提高鎳基合金熔覆層應對不同惡劣環境摩擦磨損的適應能力，可以通過在鎳基合金熔覆層的基礎上添加不同的物質來進一步提高熔覆層的摩擦磨損性能。因此，通過對鎳基合金熔覆層中引入不同的元素、陶瓷相、自潤滑相和稀土，通過不同物質的第二相強化、固溶強化、細晶強化等特殊性能對微觀組織進行改善和內部缺陷的減少優化，從而對鎳基合金熔覆層摩擦磨損性能進行優化提升的現狀進行介紹，并對未來鎳基合金熔覆層摩擦磨損性能的發展方向進行展望和總結。
2、元素添加對熔覆層摩擦磨損性能的影響
不同元素可利用其不同性能作用于熔覆層從而改善其摩擦磨損性能。WANG等[15]為提高Inconel 625熔覆層的性能，以0.5%SiC添加量為定值，改變Nb元素的添加量來進一步提升熔覆層的性能，相比于Inconel625熔覆層，隨著Nb元素的提升，促進了NbC和Cr23C6硬質相的析出，晶粒得到了細化，磨損機制由基體嚴重的磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損轉變為涂層輕微的磨粒磨損和氧化磨損。圖1所示為涂層在摩擦磨損中生成氧化膜，硬質相分散在晶間和晶界，在摩擦磨損過程中疲勞應力的作用下，硬質相脫落，產生磨粒磨損和氧化磨損現象。但過多的Nb元素添加不利于析出相的均勻分布，使摩擦磨損性能下降。HUANG等 [16]研究了Ta元素添加對Ni60A/WC熔覆層性能的影響，發現隨著Ta元素的添加，TaC含量提升，在熔覆過程中促進了WC的分解，Ta是強碳化物元素，易于C元素結合，降低了WC含量，降低了裂紋敏感性，細化了晶粒，促進碳化物的均勻分布，當Ta元素添加量為10%時具有最優的摩擦磨損性能。YAN等[17]在Ni60AA粉末基礎上添加不同元素，制備Ni60AACu、Ni60AACuMo、Ni60AACuMoW三種熔覆層，以研究元素添加對Ni60AA熔覆層性能的影響規律，元素的添加導致熔覆層硬度下降，但Ni60AACu在室溫和600℃下擁有最優的摩擦磨損性能，在摩擦磨損過程中Cu取代部分Ni形成CuMo固溶體具有良好的減摩性能，導致在硬度下降的情況下具有比Ni60AA熔覆層更優異的常溫和高溫摩擦磨損性能。
LI等[18]研究了添加Mo元素在Ni60AA/WC中對熔覆層的性能改善，在摩擦過程中熔覆層表面形成致密的氧化膜，氧化膜憑借自身硬度作為球與熔覆層之間的接觸介質，進而優化熔覆層耐磨性，隨著Mo元素添加量的提升，裂紋呈現先升后降趨勢，高熔點Mo元素與其他元素生成碳化物，析出作為成核點，細化了晶粒，抑制了裂紋的產生，過量的Mo元素增加了熔覆層與O元素的親和力，引入雜質和氧化物，引起裂紋數量的提升，提升了熔覆層中M23(C，B)。相的強度，促進Mo2C新相的產生，當Mo元素添加量為1%時，具有最小的摩擦系數和磨損量，提升了熔覆層的摩擦磨損性能。FENG等[19]通過在Inconel625中添加Al元素改善熔覆層的性能，Al元素的添加促進BCC含量的提高，與固溶強化效應協同作用，提升了熔覆層的硬度和摩擦磨損性能。HONG等[20]以20%WC陶瓷顆粒為添加定量，改變Nb元素的添加量，來進一步優化Q550鋼表面Ni60熔覆層的性能，Nb元素的添加促進了沉積到熔覆層底部的WC殘留顆粒的分解，抑制了Cr7C3相的產生，促進了NbC相的析出，但熔覆層的硬度隨Nb元素的添加逐漸下降，適量的Nb元素添加有利于熔覆層性能的提高，NbC由粗條狀轉化為細針狀，組織分布更加均勻，強化了熔覆層與基體的結合，當添加3%Nb時，有效防止摩擦過程中硬質相的脫落，進一步提升了熔覆層的摩擦磨損性能。在鎳基熔覆層中控制元素的含量和比例，通過硬質相的引入、固溶強化和晶粒細化等，使熔覆層耐磨性能達到理想效果。
3、陶瓷相添加對熔覆層摩擦磨損性能的影響
鎳基合金粉末具有良好的韌性和濕潤性，單一鎳基合金粉末對熔覆層性能的提升具有局限性，陶瓷相具有高硬度、耐磨性、耐高溫等優良性能，但與基體熱物理性能差距較大，易出現裂紋、剝落等現象，將陶瓷相添加到鎳基合金粉末中，可結合兩者優點，制備高性能的金屬陶瓷復合熔覆層，通過陶瓷相的生成方式可分為直接添加和原位生成。LI等[21]以Ti粉和鎳包石墨粉作為TiC原位合成的元素來源，增強U71Mn鋼上Ni45熔覆層的性能，隨著Ti粉和鎳包石墨粉含量的提高，熔覆層中TiC衍射峰增強，熔覆層顯微硬度相較于Ni45熔覆層得到顯著提高，摩擦磨損性能呈現先提高后減少的趨勢，過量的添加導致熔覆層脆性提高，韌性下降，摩擦過程中產生大面積剝離，不利于摩擦磨損性能的提升，當Ti+C含量為15%時，具有最優的摩擦磨損性能。HU等[22]在304上熔覆不同WC含量的鎳基合金熔覆層，圖2所示為不同WC含量的磨損機理示意。由圖2可知，WC的添加抑制了枝晶長大，溶解產生的W和C元素固溶并促進增強相的生成，在第二相強化、固溶強化和細晶強化的綜合作用下，隨著WC含量的提升，摩擦磨損性能呈線性關系得到提升。LIU等[23]研究了在Ni50涂層中添加WC陶瓷顆粒增強鎳基合金熔覆層的摩擦磨損性能，WC的添加有助于熔覆層微觀組織的細化，顯微硬度得到提高，殘存的WC鑲嵌在熔覆層中，可有效提升熔覆層的摩擦磨損性能，當WC添加量為20%時具有最優異的摩擦磨損性能。ZHAO等[24]以不同比例的TiC-TiN-B4C作為增強相添加在Ni204中制備熔覆層，添加10%TiC-10%TiN-10%B4C的鎳基合金熔覆層，具有最高的顯微硬度，最低的摩擦系數，在陶瓷相和其促進生成的增強相的共同作用下，熔覆層摩擦磨損性能得到增強。NING等[25]通過有限元仿真分析發現Inconel625/SiC熔覆層與基體結合處，出現應力集中，影響熔覆層的成形質量，通過進行試驗對熔覆層性能進一步分析，試驗表明，隨著SiC含量的增加，熔覆層殘余應力呈現先減后增的趨勢，微觀組織得到了細化，碳化物析出變多，對熔覆層硬度和摩擦磨損性能的提高具有積極作用。原位合成碳化物相比于直接添加，有利于減少陶瓷相與基體粉末之間的熱物性能差距，提升陶瓷相在熔覆層中的結合強度，但陶瓷相不同的引入方式仍不可避免的帶來裂紋等內部缺陷，從而影響熔覆層耐磨性的進一步提升。
4稀土添加對熔覆層摩擦磨損性能的影響
稀土元素的添加可通過細化晶粒，凈化組織、促進硬質相析出、產生固溶強化等提升鎳基合金熔覆層的成形質量和摩擦磨損性能。SHI等[26]通過在65Mn鋼表面Ni60A/SiC熔覆層中添加稀土氧化物La2O3來進一步改善熔覆層的性能，La2O3的加入促進了熔池的流動，促進了硬質相的生成，使元素和硬質相分布更加均勻，細化了熔覆層組織晶粒，使
Ni60A/SiC熔覆層硬度和摩擦磨損性能得到進一步的提升。ZHANG等[27]通過添加CeO2對Ni60/WC熔覆層性能進行改善，CeO2的添加減少了熔覆層的內部缺陷，晶粒尺寸得到細化，促進了組織和元素的均勻分布，當CeO2含量為2%時硬度和摩擦磨損性能達到最優。LIANG等[28]在Ni60中添加4%CeO2、5%Y2O3和5%La2O3制備熔覆層與Ni60對比，如圖3所示，稀土改性熔覆層氣孔和裂紋含量下降，韌性提高，晶粒得到細化，元素分布均勻，有利于摩擦磨損性能的提升。SU等[29]在60Si2Mn表面Ni60A/Cr2C3熔覆層中添加不同含量Y2O3，探究稀土氧化物對熔覆層性能的影響，隨著Y2O3的添加，Ni60A/Cr2C3熔覆層裂紋和孔隙等內部缺陷得到有效減少，熔覆層和基體具有更好的冶金結合，提高熔覆層的韌性，使復合涂層不易脫落，促進了硬質相的析出和均勻分布，當Y2O3添加量為1.5%時(見圖4中M5樣品)，具有最低摩擦系數，摩擦系數曲線更加平滑，磨損量低，表現出最優的綜合摩擦磨損性能。
GAO等[30]通過添加不同含量La2O3來改善Ni60熔覆層的性能，隨著La2O3的添加，熔覆層表面裂紋減少，XRD衍射峰產生偏移，產生晶格畸變，熔覆層中硬質相析出減少，顯微硬度降低，但元素組織分布更加均勻，當La2O含量為1.6%時，硬度曲線最為平緩，具有最低的摩擦系數，磨損深度最低，相比于Ni60熔覆層展現出優異的摩擦磨損性能。稀土元素的添加對物相的組成無顯著改變，提升熔池的對流作用，通過吸附夾雜物凈化組織，細化晶粒來提升熔覆層的耐磨性能。
5、自潤滑相添加對熔覆層摩擦磨損性能的影響
在鎳基合金熔覆層中添加固體潤滑劑h-BN、石墨、WS2等，可通過在摩擦過程中減少摩擦過程中的摩擦系數，提升熔覆層的摩擦磨損性能。LUO等[31]對激光熔覆制備Ni60/CNTs與Ni60作對比(見圖5)，CNTs在高能激光束的作用下分解，生成的C元素與Ni60中其他元素形成的碳化物，使Ni60/CNTs熔覆層硬度得到提高，CNTs具有良好的自潤滑性能，且細化了晶粒尺寸，與碳化物協同作用，使Ni60/CNTs熔覆層摩擦磨損性能得到提高。ZHAO等[32]制備h-BN/Ni60和Nano-Cu/h-BN/Ni60兩種自潤滑熔覆層與Ni60對比，固體潤滑劑的添加，使自潤滑熔覆層在25~600℃下發生高溫軟化，顯微硬度均低于Ni60熔覆層，h-BN具有優良潤滑性能，Cu包h-BN可減少熔覆過程中高能激光束對h-BN的燒損，Cu具有一定的潤滑效能，高溫可生成CuO固體潤滑劑，與h-BN共同作用，使熔覆層在25~600℃下摩擦系數得到明顯下降，提升熔覆層的摩擦磨損性能。ZHANG等[33]探究了不同含量NbC對Ni60/NbC熔覆層性能的影響，在最優NbC含量熔覆層的基礎上，通過添加固體潤滑劑石墨烯來進一步提升熔覆層的質量，當石墨烯添加量為10%時，熔覆層
與基體呈現良好的冶金結合，未發現明顯裂紋和孔洞，石墨烯提高了熔覆層中C元素含量，促進了硬質相的析出，石墨烯的高導熱性提高了熔池的流動性，細小NbC顆粒熔化重新凝結形成花瓣和棒狀大顆粒，和熔覆層其他硬質相共同作用抑制了晶粒的生長，提高了熔覆層的顯微硬度，有利于熔覆層摩擦磨損性能的提升。FENG等[34]制備NiCrBSi、單層NiCrBSi-30%WS2，雙層NiCrBSi-30%WS2三種熔覆層，WS2的添加，使熔覆層硬度得到下降，但在摩擦過程中形成硫化物潤滑膜，有效減少了摩擦系數，摩擦磨損性能得到提升，雙層NiCrBSi-30%WS2具有最優的摩擦磨損性能。固體潤滑劑的添加可均勻分布于熔覆層中，在摩擦磨損中起潤滑介質作用，也形成潤滑保護膜以減少摩擦過程中的磨損減少，激光熔覆過程中固體潤滑劑受熱分解，一方面分解后元素與熔覆層一系列反應有助于性能的提升，另一方面導致潤滑相含量的減少，可通過在固體潤滑相表面鍍Ni、Cu等減少和激光的直接接觸進而減少潤滑相的損失，因此在高溫條件下自潤滑性能有待進一步研究。
6、結束語
對于鎳基合金熔覆層成分調控，通過添加稀土、自潤滑相、元素、陶瓷相來改善熔覆層摩擦磨損性能，但當前鎳基合金體系不夠豐富，集中于常見的添加物，未來可進一步拓展不同添加物質的研究范圍。對金屬零部件表面激光熔覆鎳基合金熔覆層局限于零部件形狀，金屬基體形狀多為平面或圓軸基體，缺乏對于曲面、弧形等不規則形狀表面鎳基合金熔覆層摩擦磨損性能的研究，且對于鎳基涂層摩擦磨損性能應用環境的研究，多集中于干摩擦方面，實際鎳基合金耐磨熔覆層，應用在更為惡劣復雜的環境中，缺乏對于高溫高壓環境，強酸腐蝕等極端環境下的摩擦磨損性能研究,且研究成果轉換率低。不同的物質添加對鎳基涂層的摩擦磨損性能的影響具有差異性,當前對各類常見鎳基合金熔覆層體系摩擦磨損性能的提升具有大量的研究,但缺乏相應的數據庫和相關軟件對其進行歸納總結，為激光熔覆鎳基合金的進一步研究和實際工業修復使用提供方便的查詢支持，從而進一步推動鎳基合金熔覆層的標準化進程。
參考文獻:
[1] XU S, CAI Q, LI G, et al. Effect of scanning speed on microstructure and properties of TiC/Ni60 composite coatings on Ti6Al4V alloy by laser cladding[J]. Optics& Laser Technology, 2022,154:108309.
[2]陳麗梅，李強.等離子噴涂技術現狀及發展[J].熱處理技術與裝備，2006(1):1-5.
[3] DENG Y, CHEN W, LI B, et al. Physical vapor deposition technology for coated cutting tools:A review[J]. Ceramics International, 2020, 46(11):18373-18390.
[4] WANG X, YE J. Interface characteristics of CVD diamond coating on WC-Co cemented carbide substrate[J]. Surface and Coatings Technology,2024，485:130886.
[5] SUTHAR F V, SHAH H N, MANDAL D, et al.Effect of alloy 625 buffer layer on corrosion resistance of nickel base hardfacing[J]. Surface and Coatings Technology, 2024, 485: 130893.
[6] FANG Y L, MEN B X, LIU R L, et al. The effect of rare earth on microstructure and wear resistance of plasma electrolytic carburizing layer on 17-4PH stainless steel[J]. Materials Today Communications,2024，39:109118.
[7] CENGIZ S, CEYLAN D, DEVECILI A O, et al.Nitriding of CoCrFeNi medium entropy alloys:Characterization and tribocorrosion behaviour[J].Surface and Coatings Technology,2024，479:130525.
[8]王浩，簡思捷，李潔，等.激光熔覆技術在船舶修造中的應用研究進展[J].金屬加工(熱加工)，2023(12):11-19.
[9] LIU Y, WANG K, FU H. Improvement of the high temperature wear resistance of laser cladding nickel-based coating: A review[J]. Metals, 2023, 13(5):840.
[10] LI J, LIU Z, MA H, et al. Comparative study on the corrosion behaviour of 1.4529 super austenitic stainless steel and laser-cladding 1.4529 coating in simulated desulfurized flue gas condensates[J].Corrosion Science, 2022, 209: 110794.
[11] ZHU L, XUE P, LAN Q, et al. Recent research and development status of laser cladding: A review[J].Optics& Laser Technology, 2021, 138: 106915.
[12] CHENG J, DONG E, et al. An overview of laser metal deposition for cladding: Defect formation mechanisms, defect suppression methods and performance improvements of laser-cladded layers[J].Materials, 2022, 15(16):5522.
[13] SUN S, WANG J, XU J, et al. Preparing WC-Ni coatings with laser cladding technology: A review[J]. Materials Today Communications,2023:106939.
[14] YU Z, LI L, ZHANG D, et al. Study of cracking mechanism and wear resistance in laser cladding coating of Ni-based alloy[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2021, 34: 1-14.
[15] WANG H, WU M, MIAO X, et al. Effect of Nb on the microstructure and wear resistance of In625/(Nbx+ SiC0.5) composite coatings by laser cladding[J]. Ceramics International, 2023.
[16] HUANG X, YU J, JIANG J, et al. Effect of Ta content on the microstructure and properties of laser cladding Ni60A/WC composite coatings[J]. JOM,2023，75(1):97-108.
[17] YAN S, JIE G, KANGNING W, et al. The effect of multi-element alloying on the structure and properties of laser cladding nickel-based coatings[J].Surface and Coatings Technology,2023, 454:129174.
[18] LI M, ZHANG J, MI T, et al. Improvement mechanism of Mo element on cracks and microstructure properties of laser cladding WC-
Ni60AA coating[J]. Surface and Coatings Technology, 2024: 131047.
[19] FENG X, WANG H, LIU X, et al. Effect of Al content on wear and corrosion resistance of Ni-based alloy coatings by laser cladding[J]. Surface and Coatings Technology, 2021, 412: 126976.
[20] HONG S, MA Q, LIU G, et al. In-situ reinforced phase evolution and wear resistance of nickel-based composite coatings fabricated by wide-band laser cladding with Nb addition[J]. Optics& Laser Technology,2023,157:108678.
[21] LI J, YANG Y, CHEN L, et al. The effects of in-situ synthesized TiC on the performance improvement of nickel-based composite coatings for rail repair[J]. Ceramics International, 2024.
[22] HU Z, LI Y, LU B, et al. Effect of WC content on microstructure and properties of high-speed laser cladding Ni-based coating[J]. Optics& Laser Technology，2022，155:108449.
[23] LIU Y, GU X, LOU C, et al. Influence of WC ceramic particles on structures and properties of laser cladding Ni50-WC coatings[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 26: 14-21.
[24] ZHAO Y, YU T, GUAN C, et al. Microstructure and friction coefficient of ceramic(TiC, TiN and B4C) reinforced Ni-based coating by laser cladding[J]. Ceramics International, 2019, 45(16):20824-20836.
[25] NING J, LAN Q, ZHU L, et al. Microstructure and mechanical properties of SiC-reinforced Inconel 718 composites fabricated by laser cladding[J].Surface and Coatings Technology, 2023, 463:129514.
[26] SHI Y, LI J, ZHANG J, et al. Effect of La2O3 addition on wear properties of Ni60a/SiC coating using laser-cladding[J]. Optics& Laser Technology,2022,148:107640.
[27] ZHANG B, SHI W, LIN Y, et al. Effect of CeO2 content on microstructure and wear resistance of laser-cladded Ni-based composite coating[J].Lubricants, 2024, 12(6):227.
[28] LIANG C J, WANG C L, ZHANG K X, et al. Nucleation and strengthening mechanism of laser cladding aluminum alloy by Ni-Cr-B-Si alloy powder based on rare earth control[J]. Journal of Materials Processing Technology,2021,294:117145.
[29] SU Z, LI J, SHI Y, et al. Effect of Y2O3 addition on the organization and tribological properties of Ni60A/Cr3C2 composite coatings obtained by laser-cladding[J]. Ceramics International, 2024, 50(10):17261-17273.
[30] GAO Z, ZHANG S, REN C, et al. Effect of rare-earth La2O3 on tribological properties of laser cladding nickel-based coatings on 35CrMoV alloy steel[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2024，33(2):651-659.
[31] LUO F, WANG S, SHI W, et al. Wear behavior and corrosion resistance of laser-clad Ni60-1%carbon nanotubes coating[J]. Surface and Coatings Technology,2024,482:130686.
[32] ZHAO Y, FENG K, YAO C, et al. Microstructure and tribological properties of laser cladded self-lubricating nickel-base composite coatings containing nano-Cu and h-BN solid lubricants[J]. Surface and Coatings Technology, 2019, 359: 485-494.
[33] ZHANG Z, CHEN Z, YANG Y, et al. Effect of graphene and niobium carbide on microstructure and mechanical properties of Ni60 composite coatings prepared by laser cladding[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2024, 30: 8277-8286.
[34] FENG L, GUO J, CUI X, et al. In-situ synthesis and wear mechanism of Ni-based self-lubricating composite coating with a dense continuous metal sulfide layer prepared by laser cladding[J]. Surface and Coatings Technology, 2024, 478: 13044.
（注，原文標題：激光熔覆鎳基合金摩擦磨損性能的研究進展）
相關鏈接
