激光定向能量沉积制备WC/FeCrCo仿贝壳层状结构以提升耐磨性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Laser-directed energy deposition of WC/FeCrCo shell-mimetic laminated structure for enhanced wear resistance

　　

为解决FeCrCo合金硬度及耐磨性不足的问题，受生物贝壳结构启发，研究人员采用激光定向能量沉积（L-DED）技术制备了具有仿贝壳层状结构的FeCrCo/WC复合材料。通过对比WC/FeCrCo仿贝壳层状结构与纯FeCrCo沉积件在微观组织、硬度、物相组成及耐磨性方面的差异，探讨了WC颗粒分布及层间界面耦合对摩擦学性能的影响。结果表明，该仿贝壳层状结构表现出优异的层间结合与细晶组织，其平均显微硬度较纯FeCrCo沉积件提升27.60%，这归因于晶粒细化、WC颗粒强化作用及碳化物相的形成。在90 N、120 N及150 N载荷下，WC/FeCrCo仿贝壳层状结构的磨损量分别降低80.77%、75.56%及73.68%。耐磨性的提升源于显微硬度提高与WC颗粒优异承载及载荷分担能力的协同作用。

该研究针对FeCrCo合金在严苛工况下因硬度与耐磨性不足而导致的界面开裂及材料损耗问题，结合仿生结构设计与先进制造技术，探索提升其综合力学性能的新途径。FeCrCo合金虽在高温力学性能与耐腐蚀性方面表现优异，但在高载荷、强磨损环境下难以满足“高强度—高韧性—高耐磨”的综合要求。受贝壳“砖—泥”微结构的启发，研究人员采用激光定向能量沉积（L-DED）制备了硬层（WC/FeCrCo）与软层（纯FeCrCo）交替的仿贝壳层状复合材料，以实现硬质相抗磨与软质相隔裂协同的优势。研究证实，这种结构在层间结合质量、晶粒细化、物相组成及摩擦学性能方面均显著优于传统均匀分布的WC增强复合材料，为FeCrCo基材料的性能优化提供了新策略，具有重要的工程应用价值。该研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

关键技术方法方面，研究人员选用微米级球形铸造WC粉末与FeCrCo合金粉末，通过机械混合后在L-DED系统中交替沉积硬层和软层，每层厚度约0.3 mm。实验过程中采用氩气保护防止氧化，并在沉积前对基板进行激光清洗以增强冶金结合。样品经线切割加工后进行金相制样、光学显微组织观察、ImageJ软件晶粒尺寸测定及显微硬度测试。摩擦磨损试验在线性往复模式下进行，载荷分别为90 N、120 N、150 N，对偶件为直径6 mm的Si₃N₄球，测试环境温度为25±2 ℃，相对湿度为50±5%。

在结果部分，物相分析显示纯FeCrCo沉积件主要由FeCr、CoFe、Co₂C及Cr相组成，而WC/FeCrCo仿贝壳层状结构中出现了新的Cr₇C₃与Co₃W₃C相等硬质化合物，表明WC的加入引发了固相反应并形成新的强化相。微观组织研究表明，该层状结构无明显层间裂纹或气孔，WC颗粒分布均匀且在激光作用下部分溶解，促进异质形核并细化晶粒，平均晶粒尺寸由纯FeCrCo的2.81 μm降至2.06 μm，细化率达26.69%。显微硬度测试结果显示，含WC层的硬度达594.7 HV_0.2，比纯FeCrCo高出24.31%；即便不含WC的软层硬度也高于纯FeCrCo沉积件，且整体硬度呈由上至下递减趋势，这与冷却速率和热循环效应有关。摩擦磨损实验表明，在不同载荷下，WC/FeCrCo仿贝壳层状结构的摩擦系数均低于纯FeCrCo，磨损量分别减少80.77%、75.56%和73.68%。磨损表面形貌分析显示，纯FeCrCo主要表现为大面积剥落与深宽犁沟，属于典型的粘着磨损；而仿贝壳层状结构磨损表面犁沟窄浅，主要为磨粒磨损特征，且在高载荷下仍保持较好的抗变形能力。磨损机理分析指出，高硬度WC颗粒承担大部分外部载荷并实现应力分散，抑制基体塑性变形及犁削效应，同时层状结构缓解热应力集中，阻止裂纹扩展，从而显著提升耐磨性。

讨论与结论部分指出，WC/FeCrCo仿贝壳层状结构通过微米级WC颗粒的强化作用与硬软交替的仿生结构设计，实现了硬度与韧性的协同提升。晶粒细化、硬质相形成及界面结合优化是其性能改善的关键机制。研究人员强调，本研究的性能提升源于WC增强与层状设计的共同作用，未来需进一步引入无层状结构的WC/FeCrCo对照组，并结合透射电子显微镜（TEM）与电子背散射衍射（EBSD）等更高分辨率的表征手段，以深入揭示界面强化机理。此项工作为FeCrCo基复合材料的结构功能一体化设计提供了新的实验依据与技术路径。