激光熔覆沉积制备镍包覆与团聚烧结WC-10Ni/316复合材料的微观结构与磨损性能研究

作者及机构
本研究的通讯作者为上海工程技术大学材料工程学院的Chonggui Li（邮箱：chongguili@sues.edu.cn），第一作者Chengwei Hu来自同一机构。合作单位包括上海航天设备制造有限公司和上海市复杂金属构件增材制造工程技术研究中心。研究成果发表于《Materials Today Communications》期刊2024年第41卷，文章编号110498。

学术背景
本研究属于金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）与激光增材制造（Laser Melting Deposition, LMD）交叉领域。316不锈钢（316SS）因机械性能与耐腐蚀性优异，广泛应用于航空航天、能源工程等领域，但其低强度与耐磨性不足限制了极端环境下的应用。为解决这一问题，研究者通过引入硬质陶瓷颗粒（如WC）强化基体，形成颗粒增强金属基复合材料（PRMMCs）。WC-10Ni因镍（Ni）的包覆可缓解WC与基体的热膨胀失配，但现有研究对镍包覆（ni-coated）与团聚烧结（agglomerated-sintered）两种WC-10Ni颗粒在LMD工艺中的对比分析不足。本研究旨在探究两种颗粒对WC-10Ni/316复合材料微观结构、硬度及耐磨性的影响机制。

研究流程
1. 材料制备
- 基体与粉末：选用100×100×20 mm的316SS基板，球形316SS粉末（45–105 μm）作为粘结剂，两种WC-10Ni粉末（ni-coated与agglomerated-sintered，粒径15–53 μm）作为增强颗粒。SEM显示镍包覆颗粒表面更致密均匀（图1）。
- LMD工艺：采用Raybus RFL-C6000W光纤激光系统（功率2000 W，扫描速度20 mm/s，粉体进给率10 g/min），在氩气保护下制备复合材料。粉末混合后真空干燥，基板预热至400°C。

1. 表征与分析
   
   • 微观结构：通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电镜（SEM）观察，发现镍包覆试样中未分解WC-10Ni颗粒更多，团聚烧结试样则呈现更多分解颗粒及析出相（图4-6）。X射线衍射（XRD）显示两试样均含γ-(Fe, Ni, Cr)、WC、W2C、Fe6W6C等相（图3）。
     
   • 硬度与耐磨性：使用维氏硬度计（载荷10 N）测得团聚烧结试样平均硬度（410.9±6.1 HV1.0）高于镍包覆试样（350.2±3.3 HV1.0）。往复磨损试验表明，团聚烧结试样的磨损率（0.8057±0.0352 mg/(N·km)）显著低于镍包覆试样（1.5797±0.0455 mg/(N·km)）（图8-10）。
     
   • 冲击韧性：无缺口冲击试验显示镍包覆试样的韧性更优，因其未分解颗粒较多，而团聚烧结试样因析出相含量高导致脆性增加（图12）。
     

主要结果
1. 微观结构差异：镍包覆颗粒因表面Ni层保护，分解较少，颗粒尺寸较大；团聚烧结颗粒因比表面积大，更易熔解并促进W、C元素扩散，形成更多析出相（如Fe6W6C）。
2. 性能关联性：团聚烧结试样的高硬度源于析出相强化，但其韧性下降；镍包覆试样通过未分解颗粒的弥散强化平衡了硬度与韧性。
3. 磨损机制：镍包覆试样以磨粒磨损为主，团聚烧结试样因氧化层均匀分布，磨损率更低（图11）。

结论与价值
本研究证实：
1. 工艺-性能关系：团聚烧结颗粒更易分解，形成析出相提升硬度与耐磨性，但牺牲韧性；镍包覆颗粒保留更多未分解硬质相，综合性能更优。
2. 科学价值：揭示了WC-10Ni颗粒类型对LMD复合材料微观结构演化的影响机制，为高性能PRMMCs设计提供理论依据。
3. 应用价值：在航空航天、海洋工程等需兼顾耐磨与韧性的场景中，镍包覆WC-10Ni复合材料更具潜力。

研究亮点
1. 创新性对比：首次系统比较镍包覆与团聚烧结WC-10Ni在LMD中的行为差异。
2. 多尺度表征：结合CLSM、SEM、EDS、XRD等多手段，全面解析微观结构与性能关联。
3. 工艺优化启示：提出通过调控颗粒类型与LMD参数（如激光功率、扫描速度）可定制材料性能。

其他发现
- 熔合线效应：LMD快速冷却使熔合线上方晶粒更细（图4a4-b4），可通过后续热处理改善均匀性。
- 颗粒-基体界面：团聚烧结颗粒内部发现基体成分渗透，表明其界面结合更活跃（图7）。

本研究为WC增强复合材料的激光增材制造提供了重要实验依据与工艺指导。