NbC含量对铬碳化物增强镍基复合涂层微观结构及性能的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Effect of NbC Content on Microstructure and Properties of Chromium Carbide-reinforced Ni-based Composite Coatings

研究不同NbC含量（0.5%、1%、1.5%）对激光熔覆制备的Cr3C2增强Ni基复合涂层微观结构和性能的影响。结果表明1%NbC添加量使涂层晶粒最细化（平均尺寸0.8μm），显微硬度达660.3HV0.5（较无添加提高10.4%），摩擦系数0.30-0.35且无宏观缺陷，证实NbC通过异质形核和硬相协同强化实现性能优化。

　　

Jinhua Li|Yongming Dong|Zhiyu Han|Chenguang Guo|Fangping Yao

辽宁工程技术大学机械工程与自动化学院，中国辽宁锦州 121001

摘要

通过激光熔覆技术制备用于H13钢表面强化的碳化铬增强镍基复合涂层时，添加了不同含量的NbC（0.5%、1%、1.5%）以调控Cr₃C₂增强相的粒径和分布。系统研究了NbC对涂层微观结构和力学性能的影响。研究结果表明：NbC能够显著细化涂层晶粒，有效抑制粗大柱状晶体和树枝晶的形成，并促进Cr₂B等硬质相的析出，提高增强元素的分布均匀性。当NbC添加量为1%时，涂层具有细小均匀的微观结构，没有明显的元素偏析。涂层的平均显微硬度达到660.3HV_0.5，比未添加NbC的熔覆层（597.9HV_0.5）高出10.4%，且涂层致密无宏观缺陷。此时摩擦系数最低（0.30-0.35），稳定性最佳。磨损机制主要为轻微的磨料磨损。1%的NbC含量在保证熔覆层完整性的前提下，能够有效提高复合熔覆层的显微硬度和耐磨性，为高性能模具表面耐磨和抗热疲劳涂层的研发提供了实验基础和理论支持。

引言

在现代工业制造系统中，模具作为关键的成形设备，其性能直接影响最终产品的精度、质量和生产效率，是连接设计理念与实物产品的核心载体。其中，H13热作模具钢具有优异的耐热性、高温耐磨性、高韧性和抗冲击性，成为铝、镁、锌等轻合金压铸、挤压、锻造模具的首选材料，广泛应用于汽车零部件、航空航天部件以及电子设备外壳等批量制造领域[1]、[2]。然而，在长期使用过程中，模具表面会持续承受高温摩擦、热冲击和化学侵蚀，容易出现表面磨损、氧化剥落和热疲劳开裂等失效问题[3]、[4]。因此，采用表面改性技术提升H13钢模具的表面性能并延长其使用寿命，对于降低工业成本、提高效率以及学术界的技术突破具有重要意义[5]、[6]。

针对模具表面失效问题，业界开发了多种修复和强化技术，由于这些技术原理和工艺特性不同，应用场景和修复效果也存在显著差异[7]、[8]。相比之下，激光熔覆技术作为一种近年来迅速发展的先进表面改性技术，在模具修复和强化领域表现出独特的优势[9]、[10]、[11]、[12]。此外，激光熔覆技术的热影响区非常小，加热速度快，涂层与基体的结合强度高，可以有效避免模具基体的变形和开裂；同时可以根据模具失效情况精确控制涂层的厚度和成分，实现按需修复和“靶向强化”[13]、[14]。

在激光熔覆技术的应用中，熔覆材料的选择直接决定了涂层的性能，这是实现模具表面强化的关键环节。为了进一步提高涂层性能，通常会在镍基粉末中添加一定量的陶瓷材料。常用的陶瓷材料包括WC、TiC、Cr₃C₂、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃等。碳化铬（Cr₃C₂）因其高熔点（1890°C）、高硬度（维氏硬度>2280HV）以及优异的高温耐磨性和热稳定性，成为提高模具涂层硬度和耐磨性的最佳选择之一[15]。Sheng Dai等人[16]使用低碳钢作为基体制备了碳化铬增强镍基复合熔覆层，研究数据显示该复合熔覆层的平均显微硬度高达950 HV，并表现出优异的耐磨性。Sun Yufan等人[17]利用激光熔覆技术制备了用于汽车模具表面强化的Cr₃C₂增强钴基涂层，结果发现涂层的显微硬度优于基体。Tuominen Jari等人[18]采用高速激光熔覆技术在低合金结构钢表面制备了Cr₃C₂增强镍基涂层，虽然通过提高扫描速度获得了0.2-0.3mm厚的超细亚共晶涂层，但涂层中仍存在粗大的Cr₃C₂柱状晶体，导致Cr元素在晶界处严重偏析，无法保证涂层性能的均匀性。从上述实验结果可以看出，碳化铬对提升涂层性能具有显著作用。然而，实验中存在一个关键问题：涂层内的碳化铬呈现粗大的树枝晶结构，这种结构导致Cr、C等增强元素严重偏析，限制了涂层性能的进一步优化。

为了解决这一问题，研究人员尝试了多种细化方案，如添加稀土元素（如La、Ce）。Liu W[19]结合实验和理论方法研究了Ce对Cr₄Mo₄V轴承钢微观结构的影响，发现添加0.056 wt%的Ce可将铸态粗大柱状晶粒转变为等轴晶粒。但将该方法应用于Cr₃C₂增强镍基涂层时，稀土元素容易在晶界富集形成La₂O₃和CeC₂等脆性相，导致涂层韧性下降。Hu H[20]提出将超声喷丸与Cr₃C₂颗粒结合的方法在类似模具钢的合金表面制备复合改性层，证实性能提升源于晶粒细化和位错密度梯度的协同效应，但该方法增加了模具修复的复杂性，并对镍基涂层的细化效果有限。尽管这些方案在一定程度上缓解了粗晶问题，但仍存在局限性，无法从根本上实现Cr₃C₂增强镍基涂层微观结构和性能的协同优化。

为从根本上解决Cr₃C₂晶粒粗大的问题，研究人员提出了引入第二相颗粒（如TiC、NbC、Al₂O₃等）作为异质核化的核心，其中碳化铌（NbC）显示出最佳的细化效果。Fan X[21]研究了Nb对合金晶粒生长的抑制作用，发现Nb可通过在晶界形成沉淀物来阻碍晶粒生长；Maurya[22]的研究也证实了Nb在陶瓷相中抑制晶粒生长的能力。尽管上述研究的基体不是镍基材料，但为NbC在Cr₃C₂/镍基涂层细化中的应用提供了理论参考，NbC与镍基体及Ni₃Fe主相之间的晶格失配满足非共格异质核化的热力学条件[23]、[24]。从工艺协同性来看，NbC与Cr₃C₂之间的较低界面结合能可以减少Cr₃C₂颗粒的聚集倾向；同时，NbC的高导热性可以缓解熔池局部温度梯度的不均匀性，避免因热量分布不均导致的柱状晶体异常生长，进一步强化细化效果[25]。从性能互补性来看，NbC本身具有高硬度和高熔点（3490°C），既能细化晶粒，又能与Cr₃C₂形成“双硬质相”协同强化；NbC与镍基体的结合强度高，可避免因引入第二相而导致的界面结合问题。

尽管NbC作为晶粒细化剂和第二相增强剂的潜力已得到验证，但仍存在几个关键且相互关联的研究空白，阻碍了其在高性能模具Cr₃C₂增强镍基复合涂层中的靶向应用[26]、[27]、[28]、[29]。首先，大多数现有研究仅关注NbC的定性细化机制，而对其添加量（尤其是在激光熔覆的实际范围内）对Cr₃C₂增强镍基（Ni60）涂层宏观形态、微观结构演变和相组成的定量影响缺乏系统研究。其次，尚未明确或从机理上解释NbC的“最佳”添加量，该量需在晶粒细化和缺陷形成风险（如颗粒聚集引起的孔隙率或熔池流动性下降）之间取得平衡，这对熔覆层的完整性至关重要。第三，尚未建立将这种微观结构优化（在最佳NbC含量下实现）与最终力学和摩擦学性能（对确定模具使用寿命至关重要）直接关联的全面性能评估。

因此，本研究系统研究了不同NbC添加量（0.5%、1%、1.5%）对H13钢激光熔覆制备的Cr₃C₂增强Ni60复合涂层宏观形态、微观结构、物理相组成和力学性能（显微硬度及耐磨性）的影响，旨在确定既能保证涂层致密无缺陷，又能最大化硬度和耐磨性的最佳NbC添加比例，为高性能耐磨和抗热疲劳模具表面涂层的研发提供可靠的实验基础和理论支持。

实验材料

H13热作工具钢基体（80mm×20mm×8mm）先用除锈剂清洗，再用200目砂纸打磨去除氧化层，然后进行超声清洗，再进行激光熔覆。测试用的粉末材料包括球形Ni60合金粉末（纯度95%，粒径150/300目）、高纯度C粉末（粒径300目）、金属Cr粉末（GR级，粒径200目）和NbC粉末（纯度99.95%，粒径200目）。

NbC含量对熔覆层宏观形态的影响

图2显示了不同NbC含量下熔覆层的宏观形态。不同NbC含量下熔覆层与基体之间典型的波浪状界面表明，熔覆层与基体具有良好的冶金结合。当NbC含量为0%和0.5%时，表面仅观察到微量小孔，无宏观裂纹；当含量增加到1%时，

结论

本研究系统研究了NbC含量对激光熔覆碳化铬增强镍基复合涂层微观结构和性能的调控机制。主要结论如下：

(1)

适量添加NbC（1 wt.%）通过异质核化和促进硬质相析出两种机制协同优化涂层微观结构和整体性能。添加1%的NbC不仅显著细化了

作者贡献声明

李金华：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金筹集，概念构思。郭成光：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。姚芳萍：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金筹集，概念构思。董永明：撰写初稿，软件应用，资源准备，数据分析。韩志宇：软件应用，资源准备，数据管理

利益冲突

作者声明无利益冲突。

资助

本研究得到了辽宁省教育厅项目的支持（项目编号：LJ242510154003）

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了辽宁省教育厅科学研究项目（项目编号：LJ242510154003）的支持。