通过圆周振荡激光定向能量沉积技术，增强添加了石墨烯纳米片和碳化钨颗粒的NiCu合金的耐磨性能

《Journal of Manufacturing Processes》：Enhancement of the wear resistance of NiCu alloy reinforced by graphene nanoplatelets and WC particles through circular oscillating laser directed energy deposition

NiCu基复合材料通过圆周振荡激光熔覆技术制备，研究其微观结构与磨损性能。发现GNPs和WC的协同效应使NiCu/GNPs/WC复合材料的硬度提升22.57%，磨损质量损失减少85.4%，G-Ni-Cu石墨球层抑制磨损，WC提供支撑。

　　

胡一宁|陈思宇|杨光|周雷|赵万辉|王涛|李阳

中国民用航空大学安全科学与工程学院，天津，300300，中国

摘要

本研究旨在开发一种基于NiCu的复合材料，该复合材料具有优异的耐磨性和自润滑性能，适用于航空航天和能源领域的关键摩擦学应用。采用圆形振荡激光定向能量沉积（COL-DED）技术在A3钢基板上制备了NiCu、NiCu/石墨烯纳米片（GNPs）、NiCu/WC以及NiCu/GNPs/WC复合材料。高频激光束的振荡有效搅动了熔池，细化了晶粒结构并提升了材料性能。微观结构分析表明，这四种材料主要由等轴晶粒组成，其中含有少量柱状晶粒。NiCu、NiCu/GNPs、NiCu/WC和NiCu/GNPs/WC材料的晶粒尺寸分别为10.74 μm、7.80 μm、8.35 μm和7.12 μm，说明GNPs相比WC具有更好的晶粒细化效果。NiCu/GNPs/WC复合材料的主要相包括Ni-Cu、C、WC和W₂C。在激光作用下，GNPs在晶界处熔化并形成了非晶态的石墨-Ni-Cu（G-Ni-Cu）混合体球状物，而WC颗粒部分熔化形成了W₂C、WC和其他碳化物。与NiCu相比，NiCu/GNPs、NiCu/WC和NiCu/GNPs/WC材料的硬度分别提高了约11.36%、6.70%和22.57%，同时其磨损质量损失分别减少了约62.8%、81.4%和85.4%。NiCu/GNPs/WC复合材料表现出最佳的耐磨性。G-Ni-Cu石墨球状物通过固定晶界并在磨损界面形成自润滑膜来减少磨损，而WC颗粒则提供了支撑作用。它们的协同效应显著提升了NiCu合金的耐磨性能。

引言

NiCu合金因其优异的机械性能[1]、出色的耐腐蚀性和抗氧化性[2]，被广泛应用于航空航天、海洋工程和生物医学等领域。随着极端环境需求的增加，NiCu合金的使用条件变得越来越苛刻。由磨损引起的损坏（如剥落、撕裂和断裂）严重影响了NiCu合金的使用寿命以及先进设备的安全性[3]。为了提高NiCu合金的耐磨性，采用了定向能量沉积（DED）技术来制备基于NiCu的金属基复合材料（MMC）。

DED作为一种先进技术，因其高效、高质量和环境可持续性的优势[4]，被认为是传统制造方法（如铸造、锻造、粉末冶金）的替代方案[5]，适用于制造复杂和创新性的部件[5]。此外，它与多种材料类型兼容，包括陶瓷[6]、金属[7]、复合材料[7]和聚合物[8]。目前，DED技术被广泛用于制造颗粒增强型MMC[9]、[10]、[11]。石墨烯独特的六角晶格结构由几层sp²-杂化碳原子组成，赋予了其出色的机械性能[12]。石墨烯纳米片（GNPs）在摩擦条件下的高比表面积和固体润滑性能使其成为一种有前景的材料[13]。李等人[14]使用激光熔化沉积（LMD）技术制备了GNPs增强的NiCu复合材料，结果表明与NiCu相比，其显微硬度提高了1.3倍，磨损质量损失减少了936%。宋等人[15]用GNPs增强了Inconel 718合金，其摩擦系数和磨损率仅为Inconel 718合金的68.4%和7.14%。

除了GNPs之外，WC也是一种理想的增强相，因为它具有高硬度、优异的耐磨性和与金属基体的良好润湿性[16]。周雷等人[17]使用高斯激光和COL-DED技术制备了WC/NiCu复合材料，结果表明WC颗粒有效细化了NiCu合金的晶粒，提高了硬度和耐磨性。胡等人[18]研究了WC颗粒尺寸和形态对激光沉积NiCu复合材料性能的影响。较大且非球形的WC颗粒在球盘磨损测试中表现出更好的耐磨性，而混合球形WC颗粒在磨料磨损条件下表现更好。狄等人[19]通过LMD制备了含有10 wt% WC增强的无裂纹NiCu涂层，显著提高了硬度和耐磨性，抗拉强度从804 MPa提高到了901.7 MPa。

可以看出，大多数研究主要集中在使用传统激光工艺探索单层GNPs或WC颗粒对NiCu合金的增强作用。单层WC颗粒的增强容易导致应力集中，从而形成裂纹和空洞，而石墨烯可以弥补WC增强的缺点[20]、[21]。此外，传统激光工艺中的较大温度梯度容易产生残余应力，从而影响材料性能。相比之下，圆形振荡激光（COL）可以有效解决这一问题。具体来说，COL-DED利用光束成形技术周期性调节激光的时间和空间分布，使熔池经历间歇性冷却和固化，减少了温度梯度，同时抑制了材料稀释和热变形。此外，激光振荡促进了熔池对流，优化了能量分布，减少了缺陷和残余应力[22]。此外，该技术还增强了固化过程中的自发和非自发成核，显著细化了晶粒并提高了微观结构的均匀性[23]，从而提升了整体材料性能。

在本研究中，使用COL-DED技术制备了NiCu/GNPs复合材料、NiCu/WC复合材料和NiCu/GNPs/WC复合材料。研究了GNPs和WC增强剂在COL作用下的NiCu合金相组成和微观结构的影响，以及GNPs和WC颗粒对其显微硬度和耐磨性的协同增强效应。

材料

材料

本研究中使用的基体材料为球形NiCu粉末（粒径：53–109 μm，成都科源智能科技有限公司）。选用的增强材料为片状GNPs粉末（粒径：2–16 μm，中科时代）和球形WC粉末（粒径：53–106 μm，天津珠金科技有限公司）。根据GB/T 700标准，使用了A3钢基板（尺寸：240 mm × 120 mm × 20 mm，唐山钢铁集团有限公司）。

相分析

四种材料的相组成如图3所示。镍和铜具有相似的原子半径，都属于面心立方结构[25]，这使它们具有高兼容性和互溶性，能够形成连续的固溶体而不会出现明显的相分离。因此，纯NiCu的相为单一的Ni-Cu相。当加入GNPs时，复合材料中出现新的C相；当加入WC时，则出现WC和W₂C相。

结论

使用COL-DED技术制备了NiCu、NiCu/GNPs、NiCu/WC和NiCu/GNPs/WC复合材料。研究了GNPs和WC颗粒对NiCu合金在COL作用下的晶粒尺寸、微观结构、显微硬度和耐磨性能的影响。主要结论如下：

(1)

晶粒细化

COL的搅拌作用促进了晶粒细化。所有材料——NiCu、NiCu/GNPs、NiCu/WC和NiCu/GNPs/WC复合材料——都由大量等轴晶粒组成

作者贡献声明

胡一宁：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析。陈思宇：撰写——初稿、可视化、研究、数据分析。杨光：研究。周雷：研究。赵万辉：研究。王涛：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。李阳：撰写——审稿与编辑、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U2233201）、中国航空科学基金（项目编号：20240054067001）以及中国民用航空大学中央高校基本科研业务费（项目编号：XJ2021001801）的支持。