一种基于预纹理处理方法的新技术，用于通过线材激光熔覆工艺制备碳化硅（SiC）增强金属基复合材料

《Composites Communications》：A novel method based on the pre-texturing approach to fabricate SiC reinforced metal matrix composites via wire laser cladding

SiC增强316L不锈钢表面激光熔覆涂层通过预纹理化技术实现，无需复合丝材。采用线电极放电加工制备16种不同几何纹理，SiC嵌入效率达35%-73%，最终体积分数2.8%-12.2%。微观结构显示无缺陷的胞状-枝晶结构，SiC溶解形成富Si相，硬度提升至>330 HV，摩擦系数降低至0.45-0.50，磨损体积减少40%-55%。该方法通过纹理储料提高颗粒利用率，为低成本制备高性能表面复合材料提供新途径。

　　

Mohsen Barmouz | Armin Siahsarani | Jahangir Khosravi | Bahman Azarhoushang

德国弗特旺根大学先进制造研究所（KSF）

摘要

本研究提出了一种新型的预处理方法，通过线激光熔覆技术制备SiC增强的316L金属基复合材料涂层，无需使用复合原料线。利用线电火花加工（Wire EDM）制造了十六种表面纹理，实现了SiC颗粒的可控嵌入。根据沟槽几何形状的不同，SiC的嵌入效率在35%到73%之间，最终涂层中的增强体积分数为2.8–12.2%。宏观/微观结构分析表明，涂层无缺陷，具有细密的胞状-树枝状结构，并且SiC溶解形成了富Si的硬质相。能谱仪（EDX）分析显示，涂层区域的Si富集度高达1–4 wt%。微观硬度从未增强涂层的170 HV提高到了优化纹理下的330 HV以上。摩擦学测试（15–45 N）表明，增强样品的摩擦系数从0.60降低到0.45–0.50，磨损体积减少了40–55%，磨损率降低了50–60%。SiC含量最高的样品在所有载荷下均表现出最佳性能。该方法能够使用标准金属线实现陶瓷增强成分的可调掺入，显著提升了材料的机械和摩擦学性能。

引言

对于承受严重磨损、腐蚀和高温条件的工程部件而言，表面改性对于延长其使用寿命和性能至关重要[1]。将碳化物相引入金属表面是一种广泛认可的策略，可提升其在恶劣工作环境下的机械和功能性能[2,3]。碳化物（如WC、TiC、Cr?C?和SiC）具有许多优异的特性，包括极高的硬度、化学稳定性和熔点。因此，它们是改善金属部件耐磨性、承载能力和高温强度的理想增强材料[4,5]。当这些硬质陶瓷相嵌入到延性金属基体中时，它们充当载荷传递介质并阻碍位错运动，从而显著提高表面硬度并降低磨损率[6]。此外，碳化物还能通过减少金属基底与反应性介质的接触来提高抗氧化和抗腐蚀性能[7]。因此，碳化物增强层广泛应用于工具、模具、航空航天部件和能源系统中，这些领域经常面临严重的机械和化学侵蚀[8]。在各种碳化物增强材料中，碳化硅（SiC）因其出色的硬度（约2500 HV）、低密度（3.2 g/cm3）、高导热性和优异的化学惰性而脱颖而出[9,10]。SiC增强表面金属基复合材料（SMMCs）结合了高强度、韧性和耐磨/抗腐蚀性，同时相比其他陶瓷增强材料具有较低的重量[11]。在316L等不锈钢基体中，添加SiC已被证明能显著提高微观硬度，增强耐磨性和抗侵蚀性，并通过形成Fe–Si或Cr–Si等稳定界面层来改善钝化膜稳定性[12]。M. Aslam等人[13]和D. Wang[14]的研究表明，SiC在固化过程中起到热屏障和晶粒细化作用，促进了细密的胞状微观结构的形成，从而改善了材料的机械和腐蚀性能。

关于生产方法，工业涂层方法存在众所周知的权衡。热喷涂（APS/HVOF等）可以快速在大面积上形成涂层，且基底热输入低，但涂层通常为机械结合的层状结构，孔隙率较高且含有较多氧化物；结合强度和内聚性强烈依赖于颗粒温度/速度和距离，且可能存在未经后处理的微观缺陷[15]。等离子传输电弧（PTA）/基于电弧的熔覆方法能以高沉积速率形成致密的涂层，但通常会导致更高的稀释率和更宽的熔合区（HAZ），这给成分敏感的MMC系统带来了控制性能的挑战[16]。物理气相沉积（PVD）/化学气相沉积（CVD）硬质涂层可形成致密、高硬度的薄膜，具有优异的摩擦学性能（微米级厚度），但其有限的承载能力和视场限制（PVD）或高温限制（CVD）使其不适用于需要厚涂层、成分梯度或抗裂性的应用[17]。冷喷涂可在固态下形成致密涂层，氧化程度较低，但通常缺乏冶金结合，除非随后进行热处理或借助绝热剪切/冲击诱导的结合[18]。

在各种表面工程技术中，激光熔覆因能够产生低稀释率和高工艺可控性的冶金结合涂层而受到广泛关注[19]。该工艺能够形成多种微观结构，每种结构都具备传统加工技术无法实现的独特性能。此外，这些涂层为冶金结合，确保了涂层与基底之间的牢固粘附[20]。比较研究和综述一致指出，激光熔覆的稀释率低于PTA方法，微观结构更细腻[21,22]。粉末激光熔覆（PLC）常用于通过将SiC、WC或TiC等陶瓷增强材料掺入金属基体来制备表面金属基复合材料（MMCs）[23]。J.D. Majumdar等人的研究[20]表明，利用表面激光熔覆制备的成分梯度碳化硅分散复合材料表面为钢铁合金的表面性能提供了有效调控途径，以满足需要在硬度、韧性和耐腐蚀性之间取得平衡的苛刻工业应用。Majumdar等人[24]证明，激光熔覆SiC分散的AISI 316L不锈钢可形成连续且无缺陷的复合层，其中包含部分分解的SiC和碳化物/硅化物相。他们的结果显示，SiC的添加细化了奥氏体微观结构，提高了硬度（取决于工艺参数），并在较低SiC含量下显著提升了耐腐蚀性。M. Aslam等人的相关研究[25]表明，使用TIG熔覆在低碳钢上成功制备了SiC增强的AISI 304不锈钢MMC涂层。沉积物无缺陷，具有包含SiC以及多种碳化物和硅化物相（Fe?C、Cr?C?、Fe?C、Fe?C?、CrSi?、Mn?Ni?Si等）的树枝状微观结构。SiC的存在显著提高了硬度并降低了磨损率，更高的热输入进一步增强了硬度并减少了磨损率。

尽管可编程逻辑控制器（PLC）具有多种优点，但也存在一些缺点，包括粉末利用率低（例如粉末捕获损失和反弹）以及难以在熔池内保持均匀的颗粒分布。工艺重复性还受到粉末流与激光相互作用和羽流动态的影响[26,27]。这些限制在经典和最新的粉末效率和流场聚焦研究中都有详细记录[28]。

相比之下，线激光熔覆（WLC）作为一种替代方法，具有接近100%的原料利用率、稳定的进料、致密的涂层和较低的孔隙率[29]。综合综述和专著章节强调了WLC的工艺稳定性、较低的污染风险以及相对于多种热喷涂和电弧工艺更优的稀释率/熔合区控制[30]。然而，通过WLC制备复合涂层仍然具有挑战性，主要是因为制备增强层通常需要定制的复合线，其中增强颗粒嵌入在线材中。线材制造包括压实和拉拔步骤，这增加了成本和交货时间，限制了快速探索新成分的灵活性[31]。

为克服这些挑战，本研究提出了一种新的预处理方法，通过WLC制备表面MMC，无需制造复合线材。该方法首先使用线电火花加工（Wire-EDM）对基底表面（316L不锈钢）进行纹理处理，生成具有可控宽度、深度和间距的微结构，这些微结构作为增强颗粒的机械锚点和储存库。然后在激光处理前将SiC颗粒均匀嵌入纹理区域。使用WLC在制备好的表面上沉积标准316L不锈钢线。熔覆过程中，嵌入的SiC融入熔池，形成SiC增强的表面金属基复合材料层。在这种背景下，所提出的预处理+WLC方法提供了一种灵活且经济有效的途径，无需制造复合线材即可制备MMC表面。预处理的沟槽能够机械固定增强颗粒，促进熔覆过程中的润湿作用，从而提高颗粒的吸收和分布，同时减少粉末供给工艺中的损失。该方法可以轻松扩展到其他增强材料（如TiC、WC、Al?O?），只需更换嵌入颗粒类型即可，无需重新设计线材原料。

本研究探讨了颗粒嵌入机制、纹理几何形状在颗粒保留中的有效性，以及该方法制备耐磨涂层的潜力，为使用传统线熔覆设备制造MMC表面提供了实用途径。

材料

本研究选用商用奥氏体不锈钢316L作为基底材料，因其具有良好的焊接性、耐腐蚀性和广泛的工业应用性。316L基体的化学成分（重量百分比）为Fe–17Cr–9Ni–2Mo–0.3Si–0.9Cu–0.4C。基底被切割成25 mm × 25 mm × 8 mm的矩形试样。用于熔覆的原料线也为316L不锈钢，直径为1 mm。

SiC嵌入量及其与纹理几何形状的关系

为了确定预处理方法在嵌入和结合SiC颗粒到涂层中的有效性，分别测量了嵌入效率和最终的SiC体积分数。

理论上可以填充每个纹理的SiC质量（$m_{SiC}^{tho}$）是根据测量的纹理体积（$V_{tex}$）和SiC的密度（ρSiC = 3.21 g/cm3）计算得出的：$m_{SiC}$

实验测得的SiC质量（$m_{SiC}$）是通过在处理前后称量每个样品得到的。

结论

本研究提出并验证了一种新的预处理策略，通过线激光熔覆将SiC颗粒嵌入316L不锈钢中，从而无需使用复合原料线。对十六种纹理几何形状进行了系统研究，旨在确定纹理尺寸、SiC保留率、熔池相互作用以及最终微观结构和摩擦学性能之间的关系。

未来工作

未来的研究应重点优化激光加工参数（功率、扫描速度、线材进给率和光斑尺寸），以最小化SiC的过度溶解，同时确保无缺陷的冶金结合。此外，建议探索先进的激光策略，以稳定深纹理几何形状中的熔池行为，从而实现更高的SiC渗透率和更高的SiC浓度。

CRediT作者贡献声明

Mohsen Barmouz：撰写 – 原稿撰写、验证、软件开发、方法论设计、研究实施、数据分析、概念化。Armin Siahsarani：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、研究实施、数据分析。Jahangir Khosravi：方法论设计。Bahman Azarhoushang：资源提供、监督。

利益冲突声明

作者声明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

作者衷心感谢德国研究基金会（DFG）在重大研究仪器计划（项目编号：505067193，GG91b）下支持购置FIB-SEM仪器，同时也感谢巴登-符腾堡州政府和弗特旺根大学提供该仪器的使用机会。