钇元素对多层激光熔覆镍基涂层微观结构及力学性能的影响机制研究

《Chinese Journal of Mechanical Engineering》：Effect of Y on microstructure, mechanical performance of Ni based coatings by multi-layer laser cladding

本研究针对重型机械部件耐磨抗冲击需求，通过激光熔覆技术制备Ni45-Y复合涂层，系统探究钇元素对熔池动力学、晶粒细化及Cr23C6硬质相析出的调控机制。结果表明0.8 wt.% Y添加量使涂层磨损率降低31.97%，冲击韧性提升11.01%，为高性能涂层设计提供理论依据。

　　

在矿山机械、冶金装备等重工业领域，高速重载零部件长期面临严峻的磨损和冲击挑战。传统表面强化技术如渗碳淬火、氮化处理等虽能提升表面硬度，但存在强化层薄、易产生应力集中等问题。激光熔覆技术通过熔覆金属涂层可实现表面性能定制，然而常规镍基涂层在冲击载荷下易出现裂纹扩展，制约其工程应用。

为解决这一难题，内蒙古工业大学研究团队在《Chinese Journal of Mechanical Engineering》发表论文，创新性地将稀土元素钇（Y）引入镍基激光熔覆体系。研究人员采用CO₂激光器与四轴联动数控机床，通过高速摄像技术实时观测熔池流动行为，结合扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）解析微观结构演变规律，系统探究钇含量对涂层性能的调控机制。

关键技术方法包括：采用激光功率2100 W、扫描速度5 mm/s的优化工艺参数；通过MM-200磨损试验机进行环-块干滑动磨损测试；使用JB-W300J冲击试验机评估涂层冲击韧性；利用MH-60显微硬度仪测定涂层硬度梯度分布。

研究结果揭示三大发现：

1. 1.
   熔池动力学方面，钇的氧化反应（4Y+3O₂→2Y₂O₃）释放大量热能，使熔池流速在0-0.4 wt.%区间提升0.003 m/s，在0.4-0.8 wt.%区间进一步提升0.0065 m/s。根据普朗克定律，熔池热辐射强度随钇含量增加而增强，有效降低熔体粘度（η=Ce^E_η/RT），促进对流换热。
2. 2.
   微观结构演变显示，钇通过吸附于固液界面形成异质形核点，显著提高形核率（I=K₀exp[-(ΔF_A+ΔF^**)/RT]）。在0.8 wt.%最佳添加量下，柱状晶转变为等轴晶，共晶组织扩大11.12%，Cr元素在晶界富集度提升39.6%。
3. 3.
   力学性能测试表明，0.8 wt.%钇涂层磨损率降至10.72×10^-6mm/Nm，冲击韧性达8.75 J/cm²。根据霍尔-佩奇公式（σ_ε=σ_ε0+K_εd^-1/2），晶粒细化使界面应力提升，同时钇抑制Cr₂₃C₆硬质相粗化，降低应力集中。

讨论部分深入阐释机理：钇添加引发成分过冷效应（T_l(C₀)-T_l=m(C₀-C_l)），促进枝晶向等轴晶转变。冲击断口分析显示，0.8 wt.%钇涂层解理面尺寸减小，大角度晶界比例增加，根据晶界能公式（γ=Gbθ(A-lnθ)/4π(1-ν)），高能晶界有效阻碍裂纹扩展。然而过量添加（1.2 wt.%）导致Y₂O₃颗粒聚集，反而降低韧性。

该研究首次建立钇含量-熔池流态-组织演化-性能调控的完整关联模型，为开发高韧性耐磨涂层提供新思路。通过稀土元素精准调控熔池热力学与凝固行为，突破传统镍基涂层强韧性倒置瓶颈，对重大装备关键部件延寿技术发展具有重要指导意义。