《Surface and Coatings Technology》：High-temperature annealing enabled strong and tough Ni-based coating
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退火处理使热喷涂Ni基非晶合金涂层中脆性相分解为固溶体与硬质相的复合结构，协同提升强度与韧性，弯曲强度和冲击韧性分别提高40%和39%。
Muhammad Arslan Hafeez|Pengcheng Zhang|Ziwen Zhao|Jia-Chen Zhao|Cheng Zhang|Lin Liu
华中科技大学材料科学与工程学院，材料加工与模具技术国家重点实验室，武汉，430074，中国
摘要
退火处理被广泛用于调整热喷涂涂层的微观结构和性能。然而，高温处理往往会促进脆性金属间相的形成，从而导致韧性显著下降。在本研究中，我们报道了一种由非晶合金粉末（Ni??.?Cr?.?Nb?P??B?.?Si?.?）制备的热喷涂Ni基涂层在800°C下进行1小时高温退火后，同时实现了强度和韧性的提升。与典型的脆性结晶行为不同，这种处理引发了一种相分解机制，增强了涂层的强度和韧性。原始喷涂的涂层主要包含Mg?Cu??Si?型金属间相（Ni??.?Cr??.?Nb?.?P??Si?.?）和Ni?P相。退火后，Mg?Cu??Si?型相分解为三种不同的相：Ni基固溶体（51体积%）、Ni?P（43体积%）和NbNi?（6体积%）。这种转变显著改善了机械性能，包括弯曲强度提高了40%，压痕断裂韧性提高了39%，以及抗冲击性增强。这些提升得益于延展性Ni基固溶体吸收冲击能量的作用，以及硬质金属间相提供刚度和强度的协同效应。此外，这些相之间的界面阻碍了位错的运动，限制了剪切变形，延缓了裂纹的起始和扩展。总体而言，本研究提出了一种有效策略，克服了退火非晶涂层的典型局限性，为同时增强强度和韧性提供了新的见解。
引言
非晶合金因其独特的性能组合（包括高硬度、出色的强度和优异的耐腐蚀性）而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。这些特性使它们特别适用于结构和耐腐蚀性要求苛刻的应用，尤其是在海洋环境中[5]、[6]、[7]。然而，它们固有的脆性、有限的塑性和较差的玻璃形成能力限制了其在大规模应用中的工业应用[8]。为了解决这些问题，利用热喷涂技术（特别是高速氧燃料（HVOF）喷涂）制备薄层非晶合金涂层已被证明是有效的[9]、[10]。HVOF工艺与传统火焰喷涂的根本区别在于它使用速度更高的燃烧气体。因此，喷射到HVOF射流中的原料颗粒被加速到超音速，大大缩短了它们在高温气体流中的停留时间。这种减少的相互作用时间限制了热量向颗粒的传递，使得颗粒在飞行过程中的温度相对较低。因此，HVOF特别适合沉积非晶和亚稳态涂层，因为它最小化了热暴露并抑制了喷涂过程中的不希望发生的结晶[11]。
尽管HVOF可以产生大尺寸的非晶涂层，但所得涂层通常会有一些孔隙和大量的熔滴界面，这会降低机械完整性和耐腐蚀性能[12]、[13]。为了解决这些问题，通常采用退火处理来通过去除孔隙和强化熔滴界面来巩固涂层结构[14]。例如，Wang等人[15]报告称，在850°C下进行高温退火后，Fe基非晶复合涂层的孔隙率从1.6%降低到0.3%。同样，Guo等人[16]发现，在800–900°C下退火显著减少了CoMoCrSi非晶涂层的熔滴间距。Ertürk等人[17]证明，HVOF喷涂的CoMoCrSi涂层在900°C下退火4小时后形成了多种金属间化合物（CoMoSi、Co?Mo?Si和CrSi?），使得硬度提高了30%，耐磨性也显著增强。然而，不受控制的退火处理也可能在非晶基体中诱导脆性结晶相的析出，从而严重降低韧性[18]。例如，Lin等人[19]观察到，在650°C退火后Fe??B?金属间化合物的析出严重降低了FeNiCrBSiNbW非晶涂层的断裂韧性。因此，通过退火提高热喷涂非晶涂层的韧性同时防止脆化仍然是一个重大挑战。
为了解决这一关键挑战，本研究采用了一种专门设计的Ni??.?Cr?.?Nb?P??B?.?Si?.?非晶合金，在AISI 1045钢基板上制备了涂层。选择这种Ni基非晶合金是因为其与Fe基非晶合金相比具有更好的耐腐蚀性和更高的断裂韧性[20]。在该合金系统中，添加了Cr以确保在恶劣环境中的优异耐腐蚀性，而Nb则具有双重作用：不仅增强了前体粉末的玻璃形成能力，还提高了耐腐蚀性。其他元素成分（如P、B和Si）的含量经过优化，以实现高的玻璃形成能力。这种精心调整的多组分组合提供了平衡的玻璃形成、加工性能和功能性能。重要的是，它遵循一种独特的三步结晶路径，促进了由延展性Ni基固溶体（SS）相和硬质金属间化合物组成的复合微观结构的形成。这种非晶合金粉末通过气体雾化制备，然后使用HVOF工艺沉积。与之前复杂且成本较高的方法[21]、[22]、[23]不同，沉积的涂层在800°C下进行退火，得到了晶粒细小的Ni??.?Cr?.?Nb?P??B?.?Si?.?涂层，具有较低的孔隙率、更高的弯曲强度、改善的断裂韧性以及更好的抗冲击性。与传统的Fe基非晶涂层[19]不同，后者退火通常会导致脆性金属间相的形成，从而降低机械性能（特别是韧性），而目前的细晶Ni基涂层具有复合结构。这种复合结构结合了延展性Ni基SS相和硬质金属间化合物，赋予涂层高韧性和高强度，使其特别适合恶劣环境。这一发现为提高涂层组件的机械可靠性和承载能力提供了宝贵的见解，从而增强了其在高应力和机械苛刻条件下的性能和使用寿命。
材料及其表征
一种新型的Ni??.?Cr?.?Nb?P??B?.?Si?.?（按重量百分比计）合金粉末是专门为本研究设计的，由中国北京圣瑞新材料有限公司提供，并用作原料。原料粉末的特性，包括形态、热稳定性、相结构和粒径分布，在图1和S1中进行了说明。形态表征是使用场发射扫描电子显微镜（SEM，FEI Quanta 650 FEG，美国）进行的
微观结构表征
图2展示了原始喷涂和退火后的Ni??.?Cr?.?Nb?P??B?.?Si?.?涂层的横截面SEM图像。原始喷涂的涂层（图2a）厚度约为380微米，结构相对不密集。高倍率成像（图2c）显示了典型的层状结构，以及HVOF喷涂涂层的特征性熔滴界面和孔隙。在800°C下退火1小时后，涂层的微观结构变得更加致密
讨论
通过采用高温退火策略，我们成功制备了晶粒细小的Ni??.?Cr?.?Nb?P??B?.?Si?.?涂层，实现了KC、弯曲强度和抗冲击性的同时提升。这些改进归因于退火引起的微观结构致密化和受控的相变。
结论
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优化的低温退火处理有效地调整了HVOF喷涂的Ni??.?Cr?.?Nb?P??B?.?Si?.?涂层的微观结构。它形成了由延展性的FCC Ni基SS基体和硬质的四方Ni?P及正交NbNi?金属间相组成的细晶复合结构。这种多相配置产生了协同的强化-韧性效应。Ni基SS相能够承受塑性变形，而金属间相则
CRediT作者贡献声明
Muhammad Arslan Hafeez：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，研究，正式分析，数据管理，概念化。Pengcheng Zhang：撰写 – 审稿与编辑，验证，软件，数据管理，概念化。Ziwen Zhao：方法论，正式分析。Jia-Chen Zhao：方法论，正式分析。Cheng Zhang：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取，数据管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：U23A20621、52441403、52301206和92366201）的财政支持。作者感谢华中科技大学分析测试中心的技术支持。
