Y2O3添加对40Cr钢激光覆盖层性能的影响 郑晓凡 张磊 宋龙全 赵年顺 葛晓乐

《Crystals》：Effect of Y2O3 Addition on the Properties of Laser-Cladded Coatings on 40Cr Steel Xiaofan Zheng, Lei Zhang, Longquan Song, Nianshun Zhao and Xiaole Ge

　　摘要
为了改善40Cr钢的表面性能，在40Cr钢表面制备了Ni45/Y2O3激光熔覆涂层（L-CCs）。系统研究了Y2O3添加量（0.5%、1.0%和1.5%）对L-CCs的微观结构、显微硬度、残余应力、耐磨性和耐腐蚀性的影响。结果表明，Y2O3显著提高了L-CCs的耐腐蚀性并抑制了残余应力，而对显微硬度和耐磨性的提升作用相对有限。与单一Ni45 L-CC相比，含有1.0% Y2O3的L-CCs的腐蚀电流密度降低了45.9%，残余应力降低了79.3%。当Y2O3添加量为0.5%时，显微硬度提高了4.0%，而平均摩擦系数和磨损质量损失分别减少了4.8%和2.6%。过量的Y2O3会降低熔池中材料的流动性，恶化微观结构的均匀性，从而减弱甚至损害L-CCs的表面性能。

1. 引言
40Cr钢是一种中碳淬火回火结构钢，具有良好的综合机械性能和加工性能。它广泛用于汽车、造船、石油机械和模具制造行业，用于制造诸如轴、齿轮、连杆和泵筒等关键机械部件[1,2,3]。然而，在腐蚀性介质和含沙的户外环境等复杂服役条件下，40Cr钢表面容易发生腐蚀和磨损，这可能导致部件过早失效，进而影响设备的使用稳定性和使用寿命[4,5,6]。因此，研究40Cr钢的表面强化方法以提高其耐腐蚀性和耐磨性对于延长部件寿命、降低维护成本和确保生产安全具有重要意义[7]。
常见的表面强化技术包括热喷涂、物理气相沉积（PVD）、氮化处理和激光熔覆（LC）。热喷涂效率高且成本相对较低；但涂层通常通过机械互锁与基材结合，在重载条件下容易脱层[8]。此外，热喷涂层容易形成孔隙和裂纹。PVD可以制备出致密均匀的薄膜，具有优异的表面质量，但由于涂层厚度有限，其承载能力有限[9]。氮化处理能有效提高表面硬度和耐磨性，但通常需要较长的处理时间，且不具备修复受损表面的能力。相比之下，LC近年来在表面工程中受到广泛关注，因为它具有能量密度高、热影响区小、与基材的冶金结合强度高以及加工效率高等优点[10,11,12]。在该过程中，高能激光束局部熔化熔覆粉末和基材表面，形成具有强界面粘合力的致密涂层，从而有效提高基材材料的耐腐蚀性和耐磨性[13]。
许多研究尝试通过LC来改善40Cr钢的表面性能。例如，Jiang等人通过LC在40Cr基材上制备了(M:Nb,Ta)C/Ni35激光熔覆涂层（L-CC），并研究了熔覆粉末中陶瓷颗粒含量对涂层性能的影响[4]。他们的结果表明，适量的陶瓷颗粒可使涂层具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。Chen等人在40Cr钢上制备了CrFeNbTiMox L-CCs，并考察了熔覆粉末中Mo含量对耐腐蚀性和耐磨性的影响[2]。他们的研究表明，增加Mo含量能有效提高L-CC的耐腐蚀性和耐磨性。为了提高40Cr齿轮的耐磨性，Wang等人制备了由TiC和12CrNi2组成的梯度L-CC，并研究了TiC含量对梯度涂层耐磨性的影响[1]。结果表明，与均匀涂层相比，制备的梯度涂层的耐磨性显著提高。此外，Zhang等人比较研究了直接TiC熔覆和原位形成TiC熔覆对40Cr L-CC性能的影响，发现直接TiC熔覆在提高耐磨性方面更为有效[14]。这些研究表明，LC可以显著改善40Cr钢的表面性能。然而，由于40Cr钢与熔覆材料之间的热物理性质存在较大差异，在熔覆过程中容易产生较大的温差和残余应力，这可能导致裂纹和孔隙等缺陷，从而限制了LC技术的应用范围。
稀土元素因其对微观结构调控的独特作用而受到广泛关注。其中，稀土氧化物如Y2O3、CeO2和La2O3在LC中得到了广泛应用[15,16,17,18]。特别是Y2O3具有较高的热稳定性和化学稳定性，能够在熔覆过程中强化晶界、抑制晶粒生长并提高L-CC的微观结构均匀性[19,20,21]。实际上，Y2O3在LC中的作用并非传统的颗粒强化机制。相反，Y2O3可能部分溶解、分解或与熔融合金反应，形成新的相或释放稀土元素，从而促进晶粒细化和熔体净化[22,23]。因此，LC过程中添加Y2O3通常被视为一种反应性合金化或微合金化改性过程，而不是复合体系。Su等人研究了Y2O3含量对Ni60A/Cr3C2 L-CCs在60Si2Mn钢上性能的影响，发现添加1.5% Y2O3有助于形成更细密的组织，同时显著提高了L-CC的耐磨性[24]。Li等人研究了Y2O3含量对CoCrFeNiTiNb L-CCs在Ti-6Al-4V合金上性能的影响，表明Y2O3的添加提高了耐腐蚀性和耐磨性，这与微观结构细化和TiN的形成有关[25]。Liang等人制备了Ni基/WC/Y2O3 L-CCs，并重点研究了Y2O3添加对涂层性能的影响[26]。他们的结果表明，适量的Y2O3有助于微观结构细化和固溶强化，从而提高了耐腐蚀性和耐磨性。此外，Xia等人制备了Stellite-6 L-CCs在W6Mo5Cr4V2钢上，并研究了Y2O3添加对耐磨性的影响[27]。他们的研究表明，Y2O3的添加使涂层的摩擦系数降低了21.8%。这些发现表明，Y2O3在LC中能够有效改善各种基材的微观结构和性能，并显著提高L-CC的耐腐蚀性和耐磨性。然而，目前尚未有系统研究Y2O3对40Cr钢L-CC性能的影响。
另一方面，由于其较低的成本、良好的工艺兼容性和优异的综合性能，Ni45粉末已被广泛用于机械部件的表面改性和再制造。与Ni60等高硬度合金粉末相比，Ni45具有更好的抗裂性能和与中碳钢的优异热匹配性[28]，使其适用于不同类型钢材的LC。Sun等人在Cr12MoV钢上制备了Ni45 L-CCs，并研究了NbC颗粒对L-CCs的强化效果[29]。他们的结果表明，当NbC添加量为20%时，L-CC的耐磨性达到最佳。类似地，Liu等人使用FeNb65和Cr3C2原位合成了NbC，并研究了NbC对Cr12MoV钢/Ni45 L-CCs耐磨性的影响[30]。研究表明，NbC显著提高了L-CC的耐磨性。此外，Gu等人制备了Ni45/高碳铁铬粉末L-CC在ASTM 1045钢上，并研究了不同高碳铁铬粉末含量对L-CCs性能的影响[31]。结果表明，当NbC添加量为30%时，L-CC的耐磨性最佳。Liang等人在GCr15钢上制备了Ni45 L-CCs，并研究了Cr3C2含量对L-CC耐磨性的影响[32]。研究发现，当Cr3C2添加量为30%时，L-CC的耐磨性显著提高。Pang等人在Q345R钢上沉积了Ni45 L-CCs，并讨论了激光功率对L-CCs性能的影响[33]。他们的研究表明，L-CC的显微硬度和耐磨性与激光功率呈正相关，较高的激光功率有助于提高L-CC的耐腐蚀性。Qiao等人研究了激光扫描速度对Ni45 L-CCs在AISI 1045钢上性能的影响，发现较高的扫描速度有利于提高L-CC的耐腐蚀性[34]。Liu等人制备了石墨颗粒改性的Ni45 L-CCs在42CrMo钢上，并研究了激光扫描速度对L-CC微观结构和耐磨性的影响[35]。结果表明，当扫描速度为300 mm/s时，L-CC的耐磨性更好。从上述研究中可以得出，目前的研究主要集中在通过工艺优化或添加合金元素来提高Ni45 L-CC的耐磨性和耐腐蚀性。然而，Y2O3在Ni45 LC中的应用尚未得到充分探索，尤其是在40Cr钢基材上，其作用机制仍需进一步明确。此外，Y2O3对L-CCs残余应力影响的研究也较少，也需要进一步研究。
本研究采用40Cr钢作为基材，选择经济实惠、应用广泛且润湿性良好的Ni45粉末作为主要熔覆材料。通过引入不同质量分数的Y2O3，系统研究了Y2O3添加对L-CCs的微观结构、显微硬度、残余应力、耐腐蚀性和耐磨性的影响。目的是阐明Y2O3含量影响40Cr钢上Ni45 L-CCs整体性能提升的机制，确定合理的Y2O3添加范围，并为40Cr钢的表面强化和基于Ni/稀土的L-CCs的最佳设计提供实验支持和工艺指导。

2. 材料与方法
本研究使用的基材为40Cr钢板，尺寸为100 × 100 × 10 mm，由昆山周庄镇法海金属制品厂（中国昆山）提供。其化学成分见表1。在进行LC处理之前，用无水乙醇清洁待熔覆表面并干燥。Ni45粉末由河北新金属材料科技有限公司（中国邢台）提供，粒径分布为53–150 μm，其化学成分见表2。Y2O3粉末由河北益贵焊接材料有限公司（中国邢台）提供，粒径为45 μm。实验前，按照指定比例称量Ni45和Y2O3粉末，并在球磨机中混合1小时。球磨过程使用长沙米琦仪器设备有限公司（中国长沙）生产的YXQM型立式行星球磨机进行。球与粉末的比例为4:1，使用直径为4 mm的不锈钢球作为磨料。不锈钢球使用宁波Scientz生物科技有限公司（中国宁波）生产的酒精和超声波清洗机进行清洗，以防止污染物进入粉末。球磨机的转速设置为350 r/min。Ni45与Y2O3的质量比分别为：100% Ni45 + 0% Y2O3、99.5% Ni45 + 0.5% Y2O3、99% Ni45 + 1% Y2O3和98.5% Ni45 + 1.5% Y2O3。表1为40Cr钢的化学成分（wt.%）。表2为Ni45粉末的化学成分（wt.%）。
混合粉末随后在南京中科曙晨激光技术有限公司（中国南京）生产的LDM4030E LC系统中用于LC实验。LC设备和熔覆路径如图1所示。包覆区域的尺寸为70 × 70毫米。激光功率设置为1.5千瓦，激光光斑直径为2毫米，激光头的进给速度为800毫米/分钟，粉末进给速率为1转/分钟，重叠比为50%。需要指出的是，粉末进给速率由设备的内置控制系统控制，并以转/分钟为单位表示，代表粉末供给器的转速。通过初步实验结合L-CCs的形成质量来确定LC参数。在LC过程中使用氮气作为保护气体。图1. 实验设备：(a) LC设备；(b) 包覆路径。LC后，使用线切割机从包覆区域切割出尺寸为10 × 10毫米、10 × 10毫米和30 × 10毫米的样品，分别用于微观结构观察（截面）、显微硬度测试（截面）以及摩擦和磨损测试（表面）。此外，还从包覆区域切割出直径为10毫米的圆形样品，用于测量残余应力和电化学腐蚀性能。在测试之前，首先用60目砂纸将待检测的表面磨平，然后依次使用200目、320目、600目、1000目和1400目的金相砂纸进行打磨，最后使用W0.5 μm金刚石抛光膏进行金相抛光机抛光。使用苏州越石精密仪器有限公司（中国苏州）制造的YP710TR金相显微镜观察L-CCs的微观结构。蚀刻剂使用4%硝酸铅溶液，蚀刻时间从10秒到60秒不等。使用莱州市恒益测试仪器有限公司（中国莱州）制造的HRS-150T显微硬度测试仪测量截面显微硬度，加载力为500克，保持时间为10秒。显微硬度测量遵循中国GB/T 4340.1-2024标准[36]。相邻压痕点之间的间距在水平和垂直方向上均为0.25毫米，测试区域面积为1 × 10毫米。每个样品上进行200个压痕点。压痕点之间的间距超过压痕最大对角线长度的三倍，从而满足测试标准的要求。使用兰州市中科开华科技有限公司（中国兰州）制造的HT-1000摩擦和磨损测试机评估L-CC的摩擦和磨损性能。采用直径为6毫米的氮化硅陶瓷球作为摩擦对。摩擦对的圆直径为6毫米。旋转速度和施加的负载分别为500转/分钟和1000克，测试持续时间为30分钟。使用高精度天平在磨损测试前后测量样品的质量。随后使用日立（日本东京）制造的SU8600扫描电子显微镜观察L-CC的磨损形态。使用Proto（加拿大安大略省拉萨尔）制造的X射线残余应力测试仪测试L-CC的残余应力。实验中使用的靶材是锰靶。操作电压和电流分别设置为30千伏和25毫安。使用了Cr滤光片，准直器孔径为1毫米，探测器的扫描角度范围从-25°到25°。每个样品测试两次，取平均值。使用上海晨华仪器有限公司（中国上海）制造的CHI660E电化学工作站评估L-CC的耐腐蚀性。腐蚀溶液使用3.5 wt.% NaCl，腐蚀区域是一个直径为8毫米的圆形区域。极性曲线使用三电极系统进行测试，其中样品作为工作电极，铂电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极。扫描速率为0.01伏/秒，电位范围从-0.5伏到0.5伏。需要注意的是，在每个参数条件下只对一个样品进行了电化学腐蚀测试。此外，使用Keyence（日本大阪）制造的VHX 3D显微镜观察L-CC的表面形态。使用Bruker（美国比勒里亚）制造的D8 Advance X射线衍射仪测试L-CC的相组成。衍射角度范围为20°到90°，步长为0.02°，扫描速度为10°/分钟。

3. 结果与讨论
3.1. 表面形态和相组成
不同Y2O3添加量的L-CCs的表面形态如图2所示。在没有Y2O3的情况下，涂层表面的高度差为238.35微米，较高区域位于包覆轨迹上，较低区域出现在相邻轨迹之间的重叠区域，如图2c所示。添加Y2O3后，涂层表面的高度差在不同程度上减小，如图2d–f所示。当添加了0.5%的Y2O3时，涂层表面显示出最佳的平整度，高度差为223.54微米。这表明，在LC过程中添加适量的Y2O3有助于改善熔融材料在包覆区的流动性，这可能与表面张力梯度的改变和熔池内Marangoni对流的增强有关[37,38]，从而产生更平坦的涂层表面。然而，当Y2O3含量过高（添加1.5%）时，在LC区域表面产生了明显的圆形凸起，增加了表面高度差，如图2f所示。这些结果表明，Y2O3的添加量不应过高；否则可能会对L-CC内的材料熔合产生不利影响[27]，从而降低表面平整度。图2. L-CCs的表面形态：(a) 添加了0% Y2O3的激光包覆样品；(b) 添加了1% Y2O3的激光包覆样品；(c) 添加了0% Y2O3的3D表面形态；(d) 添加了0.5% Y2O3的3D表面形态；(e) 添加了1% Y203的3D表面形态；(f) 添加了1.5% Y2O3的3D表面形态。图3展示了不同Y2O3添加量的L-CCs的X射线衍射（XRD）图谱。在0% Y2O3时，涂层的主要相为γ-(Ni, Fe)、Ni3Fe、Ni3B和Cr3Ni2Si。添加Y2O3后，在32.9°、40.5°、43.2°和80.5°出现了四个新的衍射峰。XRD分析显示，32.9°和80.5°的衍射峰对应于Ni3Y，40.5°的峰对应于Ni10B5Y2，43.2°的峰对应于NiO。Ni3Y和Ni10B5Y2的形成表明Y2O3在熔池中分解，并且Y进入了基体与Ni和B反应形成了金属间化合物。金属间化合物或硼化物如Ni3Y和Ni10B5Y2通常具有硬而脆的特性，有利于提高L-CC的硬度和耐磨性[24]。NiO的存在表明在LC过程中发生了氧化，这可能与Y2O3的分解以及熔池中的不完全脱氧有关。涂层中的氧化物夹杂物可能成为裂纹的起始位置，从而对L-CC的表面性能产生不利影响[39]。
图3. 不同Y2O3添加量的L-CCs的XRD图谱。

3.2. 微观结构
图4展示了不同Y2O3添加量的L-CCs的微观结构。可以看出，不同Y2O3含量下的截面特征大致相同，从上到下依次由L-CC、过渡区和基材组成。在所有条件下，L-CC的深度大约为1.3毫米，样品之间的差异很小。与无Y2O3的涂层相比，添加了0.5%、1%和1.5% Y2O3时过渡区的深度增加。这是因为Y2O3的添加增加了激光吸收率[25]，从而扩大了过渡区的范围。图4. 不同Y2O3添加量的L-CCs的微观结构：(a–d) 分别为0%、0.5%、1%和1.5% Y2O3的截面形态；(a1–d1) 分别为0%、0.5%、1%和1.5% Y2O3的包覆区微观结构。为了定量比较不同参数条件下的晶粒尺寸，根据中国标准GB/T 6394-2017[40]，使用线性截距方法测量图4(a1–d1)中的截距数量。具体来说，沿着间距为40微米的三条平行水平线统计截距数量，并计算平均值。在Y2O3添加量为0%、0.5%、1%和1.5%时，图4(a1–d1)中的截距平均数量分别为37、43、36和34个。这些结果表明，在添加0.5% Y2O3时晶粒尺寸在一定程度上得到了细化，而在添加1.5% Y2O3时晶粒粗化。在0% Y2O3时，可以在L-CC中观察到粗大的长条状晶粒以及一些胞状和等轴晶粒，如图4(a1)所示。条状晶粒是在非平衡条件下凝固过程中形成的晶态结构，其特征是一个主干和多个分支，类似于树状形态。在0.5% Y2O3时，分支晶粒的数量减少，出现了更细的等轴晶粒，如图4(b1)所示。这主要是因为Y2O3的添加改善了熔池内的对流和润湿性[26]，降低了L-CC内的温度梯度，并减少了温度梯度与凝固生长率的比值，从而细化了晶粒[41]。此外，熔池中新化合物的形成增加了成核位点的数量，这也促进了晶粒的细化[42,43]。在1% Y2O3时，分支晶粒仍然相对较多，而微观结构主要由胞状晶粒主导，如图4(c1)所示。随着Y2O3含量的进一步增加，分支晶粒的数量增加，胞状晶粒也变得更粗，如图4(d1)所示。这可能是因为在过量的Y2O3含量下形成了更多的不溶性化合物和杂质，降低了熔池中的材料流动性，导致微观结构的粗化[44]。此外，过量的Y2O3可能会污染晶界，从而促进晶粒生长[45]。因此，适量的Y2O3有利于细化L-CC的微观结构，而过量的Y2O3则会加剧微观结构的粗化。

3.3. 微硬度和残余应力
图5显示了不同Y2O3添加量的激光包覆样品截面的显微硬度等高线图。可以观察到，包覆区的显微硬度最高，从包覆区向下逐渐减小到过渡区，然后再到基材。在Y2O3添加量为0.5%、1%和1.5%时，过渡区的厚度明显大于未添加Y2O3时的厚度，这与微观观察结果一致。当Y2O3添加量为0.5%时，L-CC表现出最高的显微硬度，最大值为541.1 HV，超过了未添加Y2O3时的520.3 HV。Y2O3提高显微硬度的原因可以归结为几个因素。首先，添加适量的Y2O3促进了微观结构的细化，从而提高了显微硬度，如图4的结果所证实的。其次，XRD分析显示，Y2O3的添加导致L-CC中形成了Ni3Y和Ni10B5Y2等硬质相。这些硬质相有助于分散强化，从而进一步提高了显微硬度[46]。随着Y2O3含量的进一步增加，L-CC的显微硬度逐渐降低。当Y2O3添加量达到1.5%时，L-CC的最大显微硬度降到了504.0 HV，低于未添加Y2O3时的显微硬度。这种降低可以归因于Y2O3的过量添加，它降低了熔池的流动性，粗化了晶粒，并引入了更多杂质[47]。这一发现与Liu等人和Cai等人的研究结果一致[48,49]。应该注意的是，L-CC内部的显微硬度分布并不完全均匀，而是存在一定的波动。在没有添加Y2O3的情况下，L-CC的显微硬度标准偏差为45.1 HV。当添加了0.5%、1%和1.5%的Y2O3后，相应的标准偏差分别降低到22.5 HV、26.2 HV和20.3 HV。这些结果表明，添加Y2O3有助于提高L-CC内部显微硬度的均匀性。这种改善归因于Y2O3促进晶粒细化并增强熔池流动性的能力，从而减少了局部微观结构的异质性。L-CC内部显微硬度的波动主要是由于微观结构的非均匀性和不同区域的冷却速率差异造成的，这些现象在激光熔覆（LC）过程中很难完全避免。在没有添加Y2O3的情况下，较大的显微硬度波动可能导致局部塑性变形行为的显著差异，从而导致更高的残余应力。总体而言，适量添加Y2O3有利于提高L-CC的显微硬度，而过量添加Y2O3则会对涂层硬度产生不利影响。

图5. 不同Y2O3添加量的激光熔覆试样截面的显微硬度等高线图：(a) 0% Y2O3；(b) 0.5% Y2O3；(c) 1% Y2O3；(d) 1.5% Y2O3。在LC过程中，激光的瞬时高能量输入会在熔池内部产生较大的温度梯度。此外，粉末材料与40Cr钢基底之间的热膨胀不匹配也会在L-CC中产生显著的残余应力。残余应力的产生对L-CC的使用性能有显著影响。图6显示了不同Y2O3添加量的L-CC的残余应力情况。未添加Y2O3时，L-CC的残余应力为577.9 MPa。添加0.5%、1%和1.5%的Y2O3后，L-CC的残余应力显著降低。特别是当Y2O3添加量为1%时，残余应力降至最低值119.7 MPa，减少了79.3%。当Y2O3添加量进一步增加到1.5%时，残余应力增加到382.6 MPa，但仍低于未添加Y2O3时的值。这些结果表明，添加Y2O3可以有效降低L-CC的残余应力。比较图4和图6可以看出，L-CC的微观结构演变与残余应力的变化之间存在相关性。在没有添加Y2O3的情况下，由于晶粒粗大且伸长，它们无法充分进行塑性变形，从而导致相对较高的残余应力。添加适量的Y2O3（0.5–1%）后，微观结构得到细化，形成了更细小的晶胞状晶粒和等轴晶粒。晶粒细化导致晶界密度增加，为更均匀的应力分布创造了有利条件，并在冷却过程中增强了应力松弛[44]，从而显著降低了残余应力。然而，过量添加Y2O3可能会增加夹杂物的数量，同时降低晶界密度，这会导致局部热机械不均匀性，进而增加残余应力。因此，可以得出结论，适量添加Y2O3对降低L-CC的残余应力既有益处也很有效。

图6. 不同Y2O3添加量的L-CC的残余应力。

3.4. 电化学腐蚀性能
图7展示了不同Y2O3添加量的L-CC的电化学腐蚀行为。图7中，Ecorr表示腐蚀电位，表示材料在腐蚀介质中达到电化学平衡的电位。更负的Ecorr通常意味着材料更容易腐蚀[50]。然而，Ecorr的变化并不一定直接与腐蚀速率相关。ICorr表示腐蚀电流密度，反映了材料在腐蚀介质中的腐蚀速率；ICorr越大，腐蚀速率越高[51]。如图7b所示，与基底相比，L-CC的Ecorr值更正，ICorr值更低，表明L-CC具有更好的耐腐蚀性。添加0.5%、1%和1.5%的Y2O3后，L-CC的ICorr值分别为3.822 × 10?5 A/cm2、3.591 × 10?5 A/cm2和4.830 × 10?5 A/cm2，均低于未添加Y2O3时的6.643 × 10?5 A/cm2。这表明添加Y2O3后L-CC的腐蚀速率降低，耐腐蚀性提高。这种改善归因于Y2O3使得L-CC的微观结构更加细致和均匀，有效阻碍了腐蚀介质的扩散路径[52]。当Y2O3添加量达到1%时，L-CC的ICorr最低，比未添加Y2O3的涂层降低了45.9%，表明在这种条件下耐腐蚀性最佳。然而，当Y2O3添加量增加到1.5%时，ICorr值再次上升，表明耐腐蚀性有所下降。这是因为过量的Y2O3导致L-CC的微观结构粗化，并在应力集中区域促进了微缺陷的形成[25]，从而产生了更多的电偶腐蚀电池，加速了腐蚀过程。

图7. 不同Y2O3添加量的L-CC的电化学腐蚀行为：(a) 极化曲线；(b) Ecorr和ICorr。

3.5. 耐磨性
图8展示了不同Y2O3添加量的L-CC的耐磨性。如图所示，基底具有较高的摩擦系数且波动较大，表明其耐磨性较差。对于0%、0.5%、1%和1.5%的Y2O3添加量，L-CC的平均摩擦系数（在2.5秒至30秒的时间范围内）分别为0.62、0.59、0.64和0.74，均低于基底的0.75。这表明L-CC的耐磨性能优于基底。如图8c所示，基底在磨损过程中质量损失最大，而添加了0.5% Y2O3的L-CC质量损失最小，略低于未添加Y2O3的情况。这表明适量添加Y2O3可以在一定程度上提高L-CC的耐磨性能，这与摩擦系数的变化趋势一致。然而，当Y2O3添加量增加到1%和1.5%时，L-CC的平均摩擦系数和质量损失均高于未添加Y2O3的涂层。这表明过量添加Y2O3会对L-CC的耐磨性能产生负面影响。摩擦系数和磨损损失之间的相似变化趋势可以归因于摩擦和磨损过程中的表面磨损行为与接触条件之间的密切关系。磨损加剧会导致表面粗糙度增加和碎屑积累，从而增大实际接触面积，进而提高摩擦阻力。总体而言，添加Y2O3仅使L-CC的平均摩擦系数提高了4.84%，磨损损失提高了2.6%，表明其对耐磨性的提升效果相对有限。

图8. 不同Y2O3添加量的L-CC的耐磨性：(a) 摩擦系数曲线；(b) 稳态摩擦阶段的平均摩擦系数；(c) 磨损质量损失。为了进一步了解磨损行为的差异，通过扫描电子显微镜观察了不同Y2O3添加量的L-CC的磨损形态，如图9所示。可以看出，基底的最大磨损宽度为1.03毫米。对于0%、0.5%、1%和1.5%的Y2O3添加量，L-CC的磨损宽度分别为0.46毫米、0.41毫米、0.43毫米和0.49毫米，均明显小于基底。如图9(a,a1)所示，基底的磨损表面有明显的磨损疤痕和犁沟，伴有材料剥落。在0%和0.5% Y2O3添加量下，磨损区域出现的划痕较少，犁沟也明显减轻，表明L-CC在这种条件下的耐磨性能良好，如图9(b,b1,c1)所示。当Y2O3添加量增加到1%和1.5%时，磨损区域的磨损疤痕变得更严重，可以看到由于沟槽加深和材料剥落形成的小坑。比较图9(c1–e1)可以看出，1%和1.5% Y2O3添加量下的坑明显比0.5% Y2O3添加量下的更大。特别是1.5% Y2O3添加量时，坑更加明显且分布密集。这表明过量添加Y2O3会加剧L-CC的磨损，这与图8的结果一致。过量Y20对耐磨性的负面影响主要归因于熔池中材料的流动性降低、微观结构粗化以及夹杂物 aumentada的存在[27]。此外，Y在晶界处的积累可能导致成分偏析，阻碍位错运动，从而影响L-CC的耐磨性能[53]。根据磨损形态，可以确定L-CC的磨损机制为磨料磨损。

图9. 不同Y2O3添加量的L-CC的磨损形态：(a,a1) 基底；(b,b1) 0% Y2O3；(c,c1) 0.5% Y2O3；(d,d1) 1% Y2O3；(e,e1) 1.5% Y2O3；(a1–e1) 穿透视图。

3.6. 讨论
根据上述分析，可以推断，在40Cr钢的激光熔覆（LC）过程中适量添加Y2O3对L-CC的性能有积极影响。这主要得益于Y2O3提高了激光吸收率，促进了熔池内的更均匀流动，细化了微观结构，并显著降低了L-CC的残余应力。总体而言，在Y2O3添加量为0.5%和1%时，可以达到更优异的综合性能。在实验范围内，与未添加Y2O3的情况相比，L-CC的腐蚀电流密度降低了45.9%，残余应力降低了79.3%，表明Y2O3在提高耐腐蚀性和抑制残余应力方面发挥了重要作用。相比之下，Y2O3对显微硬度和耐磨性的提升相对有限。显微硬度的最大增加仅为4.0%，而平均摩擦系数和磨损质量损失分别降低了4.8%和2.6%。这些结果表明，Y2O3对耐磨性的有益贡献较为有限。残余应力的显著降低归因于Y2O3的多重积极作用，包括晶粒细化、晶界纯化和熔池内温度场的均匀化。这些效果有助于减少热梯度和应力集中，从而在固化及冷却过程中促进应力松弛。然而，显微硬度和耐磨性的提升有限，主要是因为Y2O3主要作为微观结构改良剂而不是直接增强相，没有提供大量的硬质增强相。此外，实现的晶粒细化程度相对有限，而基底材料本身具有较高的显微硬度。因此，添加Y2O3并未显著提高显微硬度和耐磨性。从工业应用的角度来看，残余应力的显著降低更为重要，因为它可以降低L-CC在使用过程中的开裂和过早失效风险，从而提高结构的稳定性和可靠性。需要注意的是，过量添加Y2O3会降低熔池的流动性，增加夹杂物的形成，并加剧局部热机械不均匀性。因此，可能会导致微观结构粗化、残余应力增加以及腐蚀和耐磨性的降低。在过量添加Y2O3的情况下，L-CC的耐磨性甚至可能低于未添加Y2O3时的耐磨性，这表明Y2O3具有不利影响。因此，L-CC的耐磨性能对Y2O3的含量非常敏感，必须仔细控制添加量以获得最佳性能。未来的工作将重点优化在适当添加Y2O3条件下的LC工艺参数，旨在阐明工艺参数对涂层性能的影响，并确定能够实现优异性能的最佳加工条件。这将为在40Cr钢上大规模应用LC提供技术指导。

4. 结论
在这项工作中，我们对Y2O3添加对40Cr钢上L-CC性能的影响进行了初步研究。主要结论如下：
(1) Y2O3在提高耐腐蚀性和降低残余应力方面表现出显著效果。添加1%的Y2O3后，L-CC的腐蚀电流密度和残余应力分别降低了45.9%和79.3%。残余应力的显著降低主要归因于Y2O3的多种有益作用，包括细化晶粒、净化晶界以及熔池内温度场的均匀化，这些作用共同减少了热梯度和应力集中，促进了应力松弛。
(2) Y2O3对显微硬度和耐磨性的贡献有限。添加0.5%的Y2O3后，显微硬度增加了4.0%，而平均摩擦系数和磨损质量损失分别降低了4.8%和2.6%。显微硬度和耐磨性的提升效果有限，主要是因为Y2O3主要起到微观结构改性的作用，而不是直接增强作用。此外，晶粒细化的程度也相对有限，导致显微硬度和耐磨性的提升较为微弱。
(3) 总体而言，添加1%的Y2O3后，L-CC表现出良好的综合性能，特别是在抑制残余应力方面。本研究的结果可以为40Cr钢部件的表面强化和修复提供工艺参考。