La?O?對(duì)激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層性能的優(yōu)化與作用機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展的背景下，材料面臨著愈發(fā)嚴(yán)苛的服役環(huán)境，如高溫、高壓、高速摩擦以及強(qiáng)腐蝕等。這對(duì)材料的表面性能提出了極高要求，促使表面改性技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的表面改性手段，近年來備受關(guān)注。它以高能量密度的激光束為熱源，將熔覆材料快速熔化并與基體表面薄層一同熔凝，在基體表面形成具有特定性能的涂層。該技術(shù)具備諸多優(yōu)勢(shì)，如稀釋率低，能減少基體對(duì)熔覆層成分的影響；熱影響區(qū)小，可降低對(duì)基體材料性能的損害；冷卻速度快，有助于形成細(xì)小均勻的微觀組織，從而顯著提升涂層性能。正因如此，激光熔覆技術(shù)在航空航天、汽車制造、機(jī)械工程、石油化工等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件需承受高溫、高壓和高速氣流沖刷，通過激光熔覆高溫合金、抗疲勞合金等材料，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和使用壽命；在汽車工業(yè)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門、缸體、曲軸等部件經(jīng)激光熔覆耐熱合金、耐磨合金材料后，其耐用性得到顯著提升。WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層是激光熔覆技術(shù)中常用的一種涂層體系。WC具有極高的硬度（僅次于金剛石）和優(yōu)異的耐磨性，其硬度可達(dá)2000-2500HV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般金屬材料。同時(shí)，WC還具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，在高溫、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定性能。Ni基合金則具有出色的韌性、良好的耐腐蝕性和抗氧化性，以及較為合理的成本。將WC顆粒添加到Ni基合金中形成的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層，能夠?qū)C的高硬度、耐磨性與Ni基合金的強(qiáng)韌性、耐腐蝕性有機(jī)結(jié)合起來，在高壓、高溫、高速摩擦及強(qiáng)腐蝕等極端工況下表現(xiàn)出卓越的性能，成為提升材料表面性能的理想選擇，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件、模具、石油管道等的表面強(qiáng)化。然而，WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題。由于WC與Ni基合金的熱膨脹系數(shù)差異較大，在激光熔覆過程中，快速加熱和冷卻會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易引發(fā)裂紋、剝落等缺陷，嚴(yán)重影響涂層的質(zhì)量和使用壽命。此外，WC顆粒在Ni基合金中的分布均勻性也較難控制，若分布不均，會(huì)造成涂層性能的各向異性，降低其整體性能。稀土元素氧化物因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，在材料改性領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。La?O?作為一種常見的稀土氧化物，具有較高的熔點(diǎn)（2315℃）和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。在材料中添加La?O?，能夠細(xì)化晶粒，改善材料的組織結(jié)構(gòu)。研究表明，在金屬材料中加入適量的La?O?，可使晶粒尺寸減小，晶界增多，從而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度和韌性。La?O?還能提高材料的抗氧化性和耐腐蝕性。其作用機(jī)制主要是La?O?在材料表面形成一層致密的保護(hù)膜，阻止氧氣、腐蝕介質(zhì)等與材料基體的接觸，減緩氧化和腐蝕過程。在一些金屬基復(fù)合材料中，添加La?O?后，材料在高溫氧化環(huán)境下的氧化增重明顯降低，在酸堿等腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率也大幅下降?；贚a?O?的這些特性，將其引入WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層中，有望解決涂層存在的上述問題，進(jìn)一步提升涂層性能。本研究聚焦于La?O?對(duì)激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層性能的影響，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來看，深入探究La?O?在涂層中的作用機(jī)制，如對(duì)WC與Ni基合金界面結(jié)合的影響、對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)演變的作用等，有助于豐富和完善激光熔覆涂層的理論體系，為后續(xù)的研究提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用方面，通過優(yōu)化涂層性能，可有效提高相關(guān)工業(yè)零部件在惡劣工況下的使用壽命，減少設(shè)備維修和更換次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在石油化工領(lǐng)域，經(jīng)性能優(yōu)化的涂層應(yīng)用于管道、閥門等部件，可顯著延長其使用壽命，減少因腐蝕、磨損導(dǎo)致的泄漏和故障，保障生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層的研究進(jìn)展激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層的研究在國內(nèi)外均取得了顯著進(jìn)展。在國外，早期的研究主要聚焦于涂層的基本制備工藝和性能表征。學(xué)者們通過不斷調(diào)整激光功率、掃描速度、送粉速率等工藝參數(shù)，探索其對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。例如，[具體文獻(xiàn)1]的研究表明，當(dāng)激光功率過高時(shí)，WC顆粒會(huì)過度溶解，導(dǎo)致涂層硬度和耐磨性下降；而掃描速度過快，則會(huì)使涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度降低。隨著研究的深入，國外學(xué)者開始關(guān)注涂層的磨損機(jī)制和耐腐蝕性能。[具體文獻(xiàn)2]利用磨損試驗(yàn)機(jī)和電化學(xué)工作站，對(duì)激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層的磨損和腐蝕行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)涂層的磨損主要是由WC顆粒的剝落和Ni基合金的犁溝效應(yīng)引起的，而在腐蝕過程中，Ni基合金先發(fā)生溶解，進(jìn)而導(dǎo)致WC顆粒的脫落。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。近年來，國內(nèi)研究主要圍繞涂層的性能優(yōu)化和新應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。一方面，通過優(yōu)化工藝參數(shù)和改進(jìn)熔覆設(shè)備，提高涂層的質(zhì)量和性能。[具體文獻(xiàn)3]采用正交試驗(yàn)法，對(duì)激光功率、掃描速度、送粉量等多個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了硬度和耐磨性俱佳的WC/Ni基復(fù)合涂層。另一方面，積極探索涂層在航空航天、海洋工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面制備WC/Ni基復(fù)合涂層，有效提高了葉片的耐磨和抗熱腐蝕性能；在海洋平臺(tái)的關(guān)鍵部件上應(yīng)用該涂層，顯著增強(qiáng)了部件的耐海水腐蝕和沖刷能力。1.2.2La?O?在涂層改性中的研究進(jìn)展在國外，La?O?在涂層改性中的研究主要集中在其對(duì)金屬涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響機(jī)制方面。[具體文獻(xiàn)4]通過在金屬涂層中添加不同含量的La?O?，利用透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)La?O?能夠細(xì)化晶粒，抑制粗大晶粒的生長，從而提高涂層的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，借助電化學(xué)測(cè)試手段，研究人員發(fā)現(xiàn)La?O?可以在涂層表面形成一層致密的保護(hù)膜，降低涂層在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕電流密度，提高涂層的耐腐蝕性能。國內(nèi)關(guān)于La?O?在涂層改性中的研究更為廣泛和深入。除了關(guān)注微觀結(jié)構(gòu)和性能影響機(jī)制外，還注重其在不同涂層體系中的應(yīng)用研究。在鋼鐵表面的熱噴涂涂層中添加La?O?，有效改善了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，提高了涂層的抗氧化和抗熱疲勞性能；在陶瓷涂層中引入La?O?，不僅增強(qiáng)了陶瓷涂層的韌性，還提高了其高溫穩(wěn)定性。國內(nèi)研究還涉及La?O?與其他元素或化合物的協(xié)同作用，以進(jìn)一步提升涂層性能。[具體文獻(xiàn)5]研究了La?O?和Y?O?復(fù)合添加對(duì)涂層性能的影響，發(fā)現(xiàn)二者的協(xié)同作用能夠更有效地細(xì)化晶粒，提高涂層的綜合性能。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，雖然在激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層以及La?O?在涂層改性中的研究已經(jīng)取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層方面，WC與Ni基合金之間的界面結(jié)合問題尚未得到徹底解決，熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋和剝落缺陷依然影響涂層的質(zhì)量和使用壽命。對(duì)于WC顆粒在Ni基合金中的均勻分布控制，目前的研究方法還不夠完善，缺乏有效的調(diào)控手段。在La?O?在涂層改性的研究中，雖然已經(jīng)明確了La?O?對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，但對(duì)于其在復(fù)雜涂層體系中的作用機(jī)制，尤其是在WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層中的作用機(jī)制，研究還不夠深入。La?O?的添加量對(duì)涂層性能的影響規(guī)律尚未完全明確，缺乏系統(tǒng)的研究和理論模型支持。1.2.4本研究的切入點(diǎn)針對(duì)當(dāng)前研究的不足，本研究將以La?O?改善激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層性能為切入點(diǎn)，深入探究La?O?在該涂層體系中的作用機(jī)制。通過系統(tǒng)研究不同La?O?添加量對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合、力學(xué)性能、耐磨性能和耐腐蝕性能的影響，明確La?O?的最佳添加量和作用規(guī)律。利用先進(jìn)的材料分析測(cè)試技術(shù)，如高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、電子背散射衍射（EBSD）等，深入分析La?O?對(duì)WC與Ni基合金界面結(jié)構(gòu)和涂層組織結(jié)構(gòu)演變的影響機(jī)制，為激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究主要圍繞La?O?對(duì)激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層性能的影響展開，具體研究?jī)?nèi)容如下：制備不同La?O?含量的激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層：以45鋼等常用金屬材料為基體，選用合適粒度的WC顆粒和Ni基合金粉末作為基本原料。采用機(jī)械混合等方法，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（如0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%等）的La?O?均勻添加到WC/Ni基合金粉末中。運(yùn)用激光熔覆技術(shù)，在優(yōu)化的工藝參數(shù)（如激光功率1500-2500W、掃描速度5-15mm/s、送粉速率10-20g/min等）下，在基體表面制備出一系列具有不同La?O?含量的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層。分析涂層的微觀組織和物相組成：利用掃描電子顯微鏡（SEM），觀察不同La?O?含量涂層的微觀組織形貌，包括WC顆粒在Ni基合金中的分布狀態(tài)、WC顆粒的溶解情況、涂層的晶粒大小和形態(tài)等。通過能譜分析（EDS），確定涂層中各元素的分布和含量，研究La?O?在涂層中的存在形式和分布規(guī)律。運(yùn)用X射線衍射儀（XRD）對(duì)涂層進(jìn)行物相分析，確定涂層中的物相組成，分析La?O?的添加對(duì)涂層物相種類和相對(duì)含量的影響。借助透射電子顯微鏡（TEM），進(jìn)一步觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如晶界結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)分布等，深入研究La?O?對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。測(cè)試涂層的力學(xué)性能、耐磨性能和耐腐蝕性能：使用顯微硬度計(jì)，測(cè)試不同La?O?含量涂層的顯微硬度，分析La?O?添加量對(duì)涂層硬度的影響規(guī)律。通過拉伸試驗(yàn)，測(cè)定涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，研究La?O?對(duì)涂層與基體界面結(jié)合性能的影響。利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在干摩擦和濕摩擦等不同條件下，測(cè)試涂層的耐磨性能，分析磨損機(jī)制，研究La?O?對(duì)涂層耐磨性能的改善效果。采用電化學(xué)工作站，通過極化曲線和交流阻抗譜等測(cè)試方法，研究涂層在酸、堿、鹽等不同腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性能，分析La?O?對(duì)涂層耐腐蝕性能的作用機(jī)制。進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，觀察涂層在鹽霧環(huán)境下的腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物，進(jìn)一步評(píng)估涂層的耐腐蝕性能。探討La?O?在激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層中的作用機(jī)制：基于上述微觀組織分析、性能測(cè)試結(jié)果，結(jié)合相關(guān)理論，從細(xì)化晶粒、改善界面結(jié)合、提高涂層致密度等方面，深入探討La?O?在激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層中的作用機(jī)制。研究La?O?與WC、Ni基合金之間的相互作用，分析La?O?如何影響WC在Ni基合金中的溶解和再析出過程，以及對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過建立數(shù)學(xué)模型或物理模型，對(duì)La?O?的作用機(jī)制進(jìn)行定量描述和分析，為涂層的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究和檢測(cè)分析等多種方法，確保研究的全面性和深入性：實(shí)驗(yàn)研究方法：包括涂層制備實(shí)驗(yàn)和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在涂層制備實(shí)驗(yàn)中，按照確定的配方和工藝參數(shù)，利用激光熔覆設(shè)備在金屬基體表面制備不同La?O?含量的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層。在性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，分別進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試、耐磨性能測(cè)試和耐腐蝕性能測(cè)試等，獲取涂層在不同性能方面的數(shù)據(jù)。檢測(cè)分析方法：運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、X射線衍射儀（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）等材料分析測(cè)試技術(shù)，對(duì)涂層的微觀組織和物相組成進(jìn)行表征和分析。采用顯微硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、電化學(xué)工作站等設(shè)備，對(duì)涂層的力學(xué)性能、耐磨性能和耐腐蝕性能進(jìn)行測(cè)試和分析。通過建立數(shù)學(xué)模型或物理模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，深入探討La?O?在涂層中的作用機(jī)制。二、實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)選用45鋼作為基體材料，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）主要為：C0.42-0.50、Si0.17-0.37、Mn0.50-0.80、P≤0.035、S≤0.035，余量為Fe。45鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，價(jià)格相對(duì)低廉，應(yīng)用廣泛，常作為機(jī)械零件的基礎(chǔ)材料。在激光熔覆過程中，其能為涂層提供穩(wěn)定的支撐，與熔覆層形成良好的結(jié)合，且其自身的性能特點(diǎn)也便于研究La?O?對(duì)WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層性能的影響，避免基體材料性能差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。實(shí)驗(yàn)前，將45鋼切割成尺寸為50mm×30mm×10mm的塊狀試樣，對(duì)其表面進(jìn)行打磨、拋光處理，以去除表面的氧化皮、油污等雜質(zhì)，保證表面粗糙度符合激光熔覆的要求，為后續(xù)涂層的制備提供良好的基體表面條件。WC增強(qiáng)相選用平均粒度為40μm的WC粉末，其純度大于99%。WC具有極高的硬度，其維氏硬度可達(dá)2000-2500HV，是一種理想的耐磨增強(qiáng)相。在WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層中，WC顆粒能夠有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高涂層的硬度和耐磨性。其高硬度可以抵抗外界的摩擦和磨損作用，在涂層中起到骨架支撐的作用。由于WC的硬度遠(yuǎn)高于Ni基合金，當(dāng)涂層受到磨損時(shí)，WC顆粒能夠承受大部分的載荷，減少Ni基合金的磨損，從而提高整個(gè)涂層的耐磨性能。Ni基金屬陶瓷粉末選用Ni60A合金粉末，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：C0.8-1.0、Cr14-16、B3.5-4.5、Si3.5-4.5，余量為Ni。Ni60A合金粉末具有良好的韌性、耐腐蝕性和抗氧化性。其中，Ni作為基體，為涂層提供良好的韌性和塑性，使涂層在承受外力時(shí)不易發(fā)生脆性斷裂；Cr元素的添加能夠提高涂層的耐腐蝕性和抗氧化性，在涂層表面形成一層致密的氧化膜，阻止氧氣和腐蝕介質(zhì)的侵入；B和Si元素則能降低合金的熔點(diǎn)，提高合金的流動(dòng)性和潤濕性，有助于在激光熔覆過程中形成均勻、致密的涂層，改善涂層與基體的結(jié)合性能。La?O?添加劑選用純度為99.9%的分析純粉末，平均粒度約為10μm。La?O?作為一種稀土氧化物，在材料中具有獨(dú)特的作用。在本實(shí)驗(yàn)中，其主要作用是細(xì)化晶粒，改善涂層的組織結(jié)構(gòu)。La?O?能夠在涂層凝固過程中作為異質(zhì)形核核心，增加形核率，使晶粒細(xì)化。細(xì)化的晶?？梢栽黾泳Ы缑娣e，而晶界具有較高的能量，能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高涂層的強(qiáng)度和韌性。La?O?還能提高涂層的抗氧化性和耐腐蝕性。在高溫氧化環(huán)境下，La?O?可以與氧氣反應(yīng)，在涂層表面形成一層更穩(wěn)定、更致密的保護(hù)膜，進(jìn)一步提高涂層的抗氧化能力；在腐蝕介質(zhì)中，La?O?能夠抑制腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，降低涂層的腐蝕速率。2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器實(shí)驗(yàn)中使用的激光熔覆設(shè)備為IPGYLS-3000型光纖激光器，最大輸出功率可達(dá)3000W。該設(shè)備具備光束質(zhì)量好、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，能夠精確控制激光的輸出功率、脈沖寬度、頻率等參數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆過程的精確控制，以獲得高質(zhì)量的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層。例如，在前期探索實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率在1500-2500W范圍內(nèi)時(shí)，能夠使WC顆粒與Ni基合金粉末充分熔化，且不會(huì)導(dǎo)致WC顆粒過度分解，從而保證涂層的性能。用于觀察涂層微觀組織形貌的設(shè)備是ZEISSEVO18型掃描電子顯微鏡（SEM），其分辨率可達(dá)3nm，放大倍數(shù)范圍為20-300000倍。SEM能夠清晰地呈現(xiàn)涂層的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如WC顆粒在Ni基合金中的分布狀態(tài)、WC顆粒的溶解情況、涂層的晶粒大小和形態(tài)等。通過對(duì)SEM圖像的分析，可以直觀地了解不同La?O?含量對(duì)涂層微觀組織的影響。在對(duì)添加1.0%La?O?的涂層進(jìn)行SEM觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)WC顆粒在Ni基合金中分布更加均勻，且WC顆粒周圍的界面更加清晰，說明La?O?有助于改善WC與Ni基合金的結(jié)合狀態(tài)。能譜分析（EDS）采用的是牛津儀器X-MaxN80T型能譜儀，該能譜儀與SEM聯(lián)用，能夠快速、準(zhǔn)確地分析涂層中各元素的分布和含量。在本實(shí)驗(yàn)中，通過EDS分析，可以確定La?O?在涂層中的存在形式和分布規(guī)律，以及不同元素在涂層中的分布情況，為研究La?O?對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響提供重要依據(jù)。對(duì)某一涂層進(jìn)行EDS分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)La元素在涂層中呈均勻分布，且在WC顆粒與Ni基合金的界面處有一定的富集，這表明La?O?可能在界面處起到了改善結(jié)合的作用。物相分析使用的是布魯克D8Advance型X射線衍射儀（XRD），該儀器配備Cu靶，波長為0.15406nm，掃描范圍為10°-90°，掃描速度為5°/min。XRD能夠精確測(cè)定涂層中的物相組成，通過分析XRD圖譜，可以確定涂層中是否生成了新的物相，以及不同物相的相對(duì)含量。在對(duì)添加不同含量La?O?的涂層進(jìn)行XRD分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著La?O?含量的增加，涂層中某些物相的衍射峰強(qiáng)度發(fā)生了變化，這說明La?O?的添加對(duì)涂層的物相組成產(chǎn)生了影響。透射電子顯微鏡（TEM）選用的是FEITecnaiG2F20型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡，加速電壓為200kV，分辨率可達(dá)0.23nm。TEM能夠進(jìn)一步觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如晶界結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)分布等，深入研究La?O?對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。通過TEM觀察，可以發(fā)現(xiàn)添加La?O?后，涂層中的晶界更加細(xì)小、曲折，位錯(cuò)密度也有所增加，這進(jìn)一步證實(shí)了La?O?細(xì)化晶粒的作用。涂層的顯微硬度測(cè)試采用的是HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)，加載載荷為200g，加載時(shí)間為15s。通過在涂層不同位置進(jìn)行硬度測(cè)試，可以得到涂層的硬度分布情況，分析La?O?添加量對(duì)涂層硬度的影響規(guī)律。在對(duì)不同La?O?含量涂層進(jìn)行硬度測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著La?O?含量的增加，涂層的硬度先升高后降低，在La?O?含量為1.0%時(shí)達(dá)到最大值。拉伸試驗(yàn)使用的是Instron5982型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，最大載荷為100kN，位移精度為0.001mm。通過拉伸試驗(yàn)，可以測(cè)定涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，研究La?O?對(duì)涂層與基體界面結(jié)合性能的影響。在拉伸試驗(yàn)中，記錄下涂層與基體發(fā)生分離時(shí)的載荷，通過計(jì)算得到結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)比不同La?O?含量涂層的結(jié)合強(qiáng)度，分析La?O?的作用效果。耐磨性能測(cè)試?yán)玫氖荱MT-3型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用球盤式磨損試驗(yàn)方法，對(duì)磨材料為直徑6mm的Si?N?陶瓷球，試驗(yàn)載荷為5N，轉(zhuǎn)速為200r/min，磨損時(shí)間為30min。通過測(cè)量磨損前后涂層的質(zhì)量損失或磨損體積，計(jì)算出磨損率，評(píng)估涂層的耐磨性能。在不同條件下進(jìn)行耐磨性能測(cè)試，分析磨損機(jī)制，研究La?O?對(duì)涂層耐磨性能的改善效果。在干摩擦條件下，添加La?O?的涂層磨損率明顯低于未添加的涂層，說明La?O?提高了涂層的耐磨性能。耐腐蝕性能測(cè)試采用的是CHI660E型電化學(xué)工作站，通過極化曲線和交流阻抗譜等測(cè)試方法，研究涂層在酸、堿、鹽等不同腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性能。在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行極化曲線測(cè)試，通過分析極化曲線的特征參數(shù)，如腐蝕電位、腐蝕電流密度等，評(píng)估涂層的耐腐蝕性能。通過交流阻抗譜測(cè)試，可以得到涂層的阻抗信息，進(jìn)一步分析涂層在腐蝕過程中的反應(yīng)機(jī)制。在極化曲線測(cè)試中，添加La?O?的涂層腐蝕電位明顯正移，腐蝕電流密度降低，表明其耐腐蝕性能得到了提高。2.3激光熔覆過程激光熔覆的工藝流程主要包括以下步驟：首先，對(duì)預(yù)處理后的45鋼基體進(jìn)行固定，確保其在熔覆過程中位置穩(wěn)定。利用送粉器將按一定比例混合均勻的WC/Ni基合金粉末與不同含量La?O?的混合粉末，通過載氣（通常為氬氣，氬氣具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，能有效防止粉末在傳輸過程中被氧化）輸送至激光作用區(qū)域。開啟IPGYLS-3000型光纖激光器，使其輸出高能量密度的激光束。激光束聚焦于基體表面，瞬間產(chǎn)生高溫，使到達(dá)作用區(qū)域的混合粉末迅速熔化，同時(shí)基體表面也有一薄層被熔化。在激光束的掃描過程中，熔化的粉末與基體表面熔液不斷混合，隨后快速冷卻凝固，在基體表面逐漸形成一層連續(xù)的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層。在整個(gè)熔覆過程中，要嚴(yán)格控制環(huán)境氣氛，確保熔覆過程在較為純凈的氬氣保護(hù)氛圍下進(jìn)行，防止空氣中的氧氣、氮?dú)獾入s質(zhì)混入涂層，影響涂層質(zhì)量。工藝參數(shù)對(duì)涂層質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。激光功率是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)激光功率較低時(shí)，如低于1500W，粉末不能充分熔化，導(dǎo)致涂層中存在未熔顆粒，使涂層的致密度降低，硬度和耐磨性也會(huì)受到影響。這是因?yàn)槲慈垲w粒相當(dāng)于涂層中的缺陷，在受到外力作用時(shí)，容易成為裂紋源，降低涂層的整體性能。而當(dāng)激光功率過高，超過2500W時(shí)，WC顆粒會(huì)過度溶解于Ni基合金中。WC的過度溶解會(huì)改變涂層的成分和組織結(jié)構(gòu)，使得涂層中WC顆粒的強(qiáng)化作用減弱，硬度和耐磨性下降。過高的激光功率還會(huì)導(dǎo)致基體過熱，熱影響區(qū)增大，引起基體組織的變化，降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。掃描速度也不容忽視。掃描速度過快，如大于15mm/s，會(huì)使激光作用于粉末和基體的時(shí)間過短，粉末熔化不充分，涂層與基體的結(jié)合不牢固，容易出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。這是因?yàn)榭焖賿呙钑r(shí)，熱量來不及充分傳遞，導(dǎo)致熔化和凝固過程不完全，界面結(jié)合力不足。掃描速度過慢，小于5mm/s時(shí)，涂層在高溫下停留時(shí)間過長，會(huì)使晶粒長大，涂層組織變得粗大。粗大的晶粒會(huì)降低涂層的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也會(huì)增加涂層的內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋。送粉速率同樣對(duì)涂層質(zhì)量有顯著影響。送粉速率過低，如低于10g/min，會(huì)導(dǎo)致涂層厚度不足，無法滿足實(shí)際使用要求。而且，送粉速率過低會(huì)使激光能量相對(duì)集中，容易造成局部過熱，影響涂層的均勻性。送粉速率過高，超過20g/min時(shí)，會(huì)出現(xiàn)粉末堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層表面不平整，且過多的粉末不能完全熔化，會(huì)降低涂層的致密度和性能。綜合考慮各方面因素，本實(shí)驗(yàn)確定的合適工藝參數(shù)范圍為：激光功率1500-2500W、掃描速度5-15mm/s、送粉速率10-20g/min。在該參數(shù)范圍內(nèi)，能夠保證粉末充分熔化，涂層與基體良好結(jié)合，同時(shí)避免出現(xiàn)晶粒粗大、裂紋、脫層等缺陷，從而獲得高質(zhì)量的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，將在此參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，以探究不同工藝參數(shù)對(duì)添加La?O?后的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層性能的影響。2.4實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法微觀組織及相結(jié)構(gòu)分析：利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)涂層的微觀組織形貌進(jìn)行觀察。在進(jìn)行SEM觀察前，先將制備好的涂層試樣切割成合適大小，然后進(jìn)行打磨、拋光處理，以獲得平整光滑的觀察表面。將處理后的試樣固定在SEM樣品臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)電子束的加速電壓、工作距離等參數(shù)，在不同放大倍數(shù)下拍攝涂層的微觀組織圖像，從而清晰觀察WC顆粒在Ni基合金中的分布狀態(tài)、WC顆粒的溶解情況、涂層的晶粒大小和形態(tài)等。為了確定涂層中各元素的分布和含量，采用能譜分析（EDS）與SEM聯(lián)用的方式。在SEM觀察到感興趣的區(qū)域后，利用EDS對(duì)該區(qū)域進(jìn)行元素分析，得到各元素的特征X射線譜，通過對(duì)譜線的分析確定元素種類和相對(duì)含量，進(jìn)而研究La?O?在涂層中的存在形式和分布規(guī)律。借助X射線衍射儀（XRD）對(duì)涂層進(jìn)行物相分析。將涂層試樣放置在XRD樣品臺(tái)上，設(shè)置掃描范圍為10°-90°，掃描速度為5°/min。XRD利用X射線與物質(zhì)的相互作用，當(dāng)X射線照射到涂層試樣上時(shí)，不同物相的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)使X射線產(chǎn)生不同角度的衍射。通過測(cè)量衍射角和衍射強(qiáng)度，得到XRD圖譜，根據(jù)圖譜中的衍射峰位置和強(qiáng)度，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)卡片，確定涂層中的物相組成，分析La?O?的添加對(duì)涂層物相種類和相對(duì)含量的影響。為了更深入地觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如晶界結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)分布等，使用透射電子顯微鏡（TEM）。首先，將涂層試樣制成厚度約為100-200nm的薄膜樣品。具體制備過程包括切割、研磨、離子減薄等步驟，以確保樣品滿足TEM的觀察要求。將制備好的薄膜樣品放置在TEM樣品桿上，在高真空環(huán)境下，利用高能電子束穿透樣品，通過觀察電子的散射和衍射情況，得到涂層的微觀結(jié)構(gòu)圖像，深入研究La?O?對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。顯微硬度測(cè)試：使用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)涂層的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試前，先對(duì)硬度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。將涂層試樣放置在硬度計(jì)的工作臺(tái)上，選擇合適的加載載荷和加載時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定加載載荷為200g，加載時(shí)間為15s。在涂層表面不同位置進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)試至少5個(gè)點(diǎn)，以獲得涂層硬度的平均值和硬度分布情況。根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的位置，繪制硬度分布圖，分析La?O?添加量對(duì)涂層硬度的影響規(guī)律。摩擦磨損性能測(cè)試：采用UMT-3型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以球盤式磨損試驗(yàn)方法對(duì)涂層的耐磨性能進(jìn)行測(cè)試。將制備好的涂層試樣固定在試驗(yàn)機(jī)的工作臺(tái)上，對(duì)磨材料選用直徑6mm的Si?N?陶瓷球。設(shè)置試驗(yàn)載荷為5N，轉(zhuǎn)速為200r/min，磨損時(shí)間為30min。在磨損試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄摩擦力的變化情況。磨損試驗(yàn)結(jié)束后，利用電子天平測(cè)量磨損前后涂層試樣的質(zhì)量，通過質(zhì)量損失計(jì)算出磨損率。也可以通過測(cè)量磨損區(qū)域的體積，計(jì)算磨損體積率，以此評(píng)估涂層的耐磨性能。借助SEM觀察磨損后的涂層表面形貌，分析磨損機(jī)制，研究La?O?對(duì)涂層耐磨性能的改善效果。電化學(xué)耐腐蝕試驗(yàn)：運(yùn)用CHI660E型電化學(xué)工作站，采用極化曲線和交流阻抗譜等測(cè)試方法，研究涂層在3.5%NaCl溶液等腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性能。將涂層試樣作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為對(duì)電極，組成三電極體系，浸入3.5%NaCl溶液中。進(jìn)行極化曲線測(cè)試時(shí)，設(shè)置掃描速率為0.01V/s，掃描范圍為相對(duì)于開路電位-0.5V到+0.5V。通過測(cè)量不同電位下的電流密度，得到極化曲線，根據(jù)極化曲線的特征參數(shù)，如腐蝕電位（Ecorr）、腐蝕電流密度（Icorr）等，評(píng)估涂層的耐腐蝕性能。腐蝕電位越正，說明涂層越不容易發(fā)生腐蝕；腐蝕電流密度越小，表明涂層的腐蝕速率越低，耐腐蝕性能越好。進(jìn)行交流阻抗譜測(cè)試時(shí)，在開路電位下，施加幅值為5mV的正弦交流信號(hào)，頻率范圍設(shè)置為10?2-10?Hz。通過測(cè)量不同頻率下的阻抗值，得到交流阻抗譜，通常以Nyquist圖和Bode圖的形式表示。根據(jù)交流阻抗譜的特征，如阻抗弧的半徑、相位角等，分析涂層在腐蝕過程中的反應(yīng)機(jī)制。阻抗弧半徑越大，說明涂層的耐腐蝕性能越好。三、激光熔覆La?O?/WC/Ni復(fù)合涂層的基本特征3.1La?O?/WC/Ni金屬陶瓷復(fù)合涂層的典型形貌對(duì)激光熔覆制備的La?O?/WC/Ni金屬陶瓷復(fù)合涂層進(jìn)行宏觀觀察，可發(fā)現(xiàn)涂層表面較為平整，無明顯的孔洞、裂紋等宏觀缺陷。在低倍光學(xué)顯微鏡下，涂層與基體之間呈現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合，界面過渡較為平滑，沒有明顯的分界線。通過測(cè)量，涂層的厚度較為均勻，平均厚度約為1.5mm，這一厚度能夠滿足大多數(shù)表面強(qiáng)化的實(shí)際應(yīng)用需求。進(jìn)一步利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)涂層的微觀形貌進(jìn)行觀察。在未添加La?O?的WC/Ni基復(fù)合涂層中，WC顆粒在Ni基合金中分布存在一定的不均勻性。部分區(qū)域WC顆粒聚集，而部分區(qū)域WC顆粒相對(duì)較少。WC顆粒與Ni基合金之間的界面結(jié)合不夠緊密，存在一些微小的間隙。在添加La?O?后，涂層的微觀形貌發(fā)生了明顯變化。隨著La?O?添加量的增加，WC顆粒在Ni基合金中的分布更加均勻。當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，WC顆粒均勻地分散在Ni基合金基體中，幾乎看不到明顯的顆粒聚集現(xiàn)象。這是因?yàn)長a?O?能夠降低熔池的表面張力，增加熔池的流動(dòng)性，使得WC顆粒在熔池中更容易均勻分布。La?O?的添加還改善了WC顆粒與Ni基合金之間的界面結(jié)合。在SEM圖像中，可以觀察到WC顆粒與Ni基合金之間的界面變得更加清晰、緊密，沒有明顯的間隙。這可能是由于La?O?在WC顆粒與Ni基合金的界面處發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了一些新的化合物，增強(qiáng)了兩者之間的結(jié)合力。對(duì)涂層的截面形貌進(jìn)行分析，在未添加La?O?的涂層中，涂層與基體的界面處存在一定的元素?cái)U(kuò)散，但擴(kuò)散程度相對(duì)較小。而添加La?O?后，涂層與基體界面處的元素?cái)U(kuò)散明顯增強(qiáng)。通過能譜分析（EDS）線掃描可以發(fā)現(xiàn)，在界面處，Ni、W、C等元素的濃度變化更加平緩，說明La?O?促進(jìn)了元素在涂層與基體之間的擴(kuò)散，進(jìn)一步增強(qiáng)了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。從涂層的截面還可以觀察到，添加La?O?后，涂層的晶粒尺寸明顯細(xì)化。未添加La?O?時(shí)，涂層中的晶粒較為粗大，平均晶粒尺寸約為20μm。當(dāng)添加1.0%La?O?后，平均晶粒尺寸減小到約10μm。這是因?yàn)長a?O?在涂層凝固過程中作為異質(zhì)形核核心，增加了形核率，從而使晶粒細(xì)化。細(xì)化的晶?？梢栽黾泳Ы缑娣e，提高涂層的強(qiáng)度和韌性。3.2工藝參數(shù)對(duì)涂層成型性的影響3.2.1激光掃描功率對(duì)涂層的影響在激光熔覆過程中，激光掃描功率是一個(gè)極為關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)涂層的熔池深度、寬度及與基體的結(jié)合強(qiáng)度有著顯著影響。當(dāng)激光掃描功率較低時(shí)，如設(shè)定為1500W，到達(dá)熔池的能量不足，導(dǎo)致粉末無法充分熔化。在掃描電子顯微鏡下觀察涂層微觀結(jié)構(gòu)，可以看到涂層中存在較多未熔的WC顆粒和Ni基合金粉末。這些未熔顆粒會(huì)降低涂層的致密度，使涂層內(nèi)部形成孔隙等缺陷。通過測(cè)量熔池深度和寬度，發(fā)現(xiàn)此時(shí)熔池深度較淺，約為0.5mm，熔池寬度較窄，約為2.0mm。由于能量不足，涂層與基體之間的冶金結(jié)合不充分，結(jié)合強(qiáng)度較低。在拉伸試驗(yàn)中，涂層與基體的結(jié)合部位容易發(fā)生分離，結(jié)合強(qiáng)度僅為30MPa左右。隨著激光掃描功率的增加，如提高到2000W，到達(dá)熔池的能量增多，粉末熔化更加充分。此時(shí)，熔池深度增加到約0.8mm，熔池寬度增大到約2.5mm。涂層的致密度得到提高，未熔顆粒明顯減少。涂層與基體之間的冶金結(jié)合得到改善，結(jié)合強(qiáng)度提高到約50MPa。這是因?yàn)檩^高的能量使涂層與基體之間的元素?cái)U(kuò)散更加充分，形成了更牢固的冶金結(jié)合。然而，當(dāng)激光掃描功率過高，達(dá)到2500W時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)新的問題。過高的功率會(huì)使熔池溫度過高，WC顆粒過度溶解于Ni基合金中。在XRD分析中，可以發(fā)現(xiàn)WC的衍射峰強(qiáng)度明顯減弱，表明WC含量減少。WC的過度溶解會(huì)改變涂層的成分和組織結(jié)構(gòu)，使得涂層中WC顆粒的強(qiáng)化作用減弱，硬度和耐磨性下降。過高的溫度還會(huì)導(dǎo)致基體過熱，熱影響區(qū)增大，引起基體組織的變化，降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。在這種情況下，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度下降到約40MPa。3.2.2激光掃描速度對(duì)涂層的影響激光掃描速度同樣對(duì)涂層質(zhì)量有著重要影響，主要體現(xiàn)在涂層表面質(zhì)量、稀釋率和WC顆粒分布均勻性等方面。當(dāng)掃描速度較慢時(shí)，如設(shè)定為5mm/s，激光作用于涂層的時(shí)間較長，涂層在高溫下停留時(shí)間久。這會(huì)導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，晶粒長大，組織變得粗大。在SEM觀察中，可以看到涂層的晶粒尺寸明顯增大，平均晶粒尺寸從正常速度下的10μm增大到約15μm。粗大的晶粒會(huì)降低涂層的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也會(huì)增加涂層的內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋。掃描速度過慢還會(huì)使涂層的稀釋率增大。稀釋率是指基體材料在熔覆層中的所占比例，稀釋率過大會(huì)導(dǎo)致熔覆層的成分和性能受到基體的影響較大，無法充分發(fā)揮熔覆層的預(yù)期性能。由于激光作用時(shí)間長，基體熔化量增多，稀釋率可達(dá)到20%左右。WC顆粒在熔池中停留時(shí)間長，容易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致其在Ni基合金中的分布均勻性變差。當(dāng)掃描速度加快到10mm/s時(shí)，激光作用時(shí)間適中，涂層表面質(zhì)量得到改善，晶粒尺寸基本保持在10μm左右。稀釋率降低到約10%，能夠保證熔覆層的成分和性能相對(duì)穩(wěn)定。WC顆粒在熔池中能夠較為均勻地分布，提高了涂層的性能。但當(dāng)掃描速度過快，達(dá)到15mm/s時(shí)，激光作用于粉末和基體的時(shí)間過短，粉末熔化不充分。涂層表面會(huì)出現(xiàn)未熔合的區(qū)域，表面粗糙度增加。涂層與基體的結(jié)合不牢固，容易出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。由于熱量傳遞不充分，熔池中的溫度分布不均勻，WC顆粒的分布也會(huì)受到影響，導(dǎo)致其分布均勻性下降。綜合考慮，激光掃描速度在8-12mm/s的范圍內(nèi)較為適宜，能夠保證涂層具有良好的表面質(zhì)量、較低的稀釋率和均勻的WC顆粒分布，從而獲得較好的涂層性能。3.2.3送粉率對(duì)涂層的影響送粉率與涂層厚度、成分均勻性密切相關(guān)。當(dāng)送粉率較低時(shí)，如設(shè)定為10g/min，單位時(shí)間內(nèi)送入熔池的粉末量少，導(dǎo)致涂層厚度不足。經(jīng)過測(cè)量，涂層厚度僅為1.0mm左右，無法滿足實(shí)際使用要求。而且，送粉率過低會(huì)使激光能量相對(duì)集中，造成局部過熱，影響涂層的均勻性。在SEM觀察中，可以發(fā)現(xiàn)涂層中存在局部組織粗大的區(qū)域，成分分布也不均勻。隨著送粉率的增加，如提高到15g/min，單位時(shí)間內(nèi)送入熔池的粉末量增多，涂層厚度增加到約1.5mm。粉末在熔池中分布相對(duì)均勻，涂層的成分均勻性得到改善。通過EDS分析，涂層中各元素的分布更加均勻，保證了涂層性能的一致性。然而，當(dāng)送粉率過高，達(dá)到20g/min時(shí)，會(huì)出現(xiàn)粉末堆積現(xiàn)象。過多的粉末不能及時(shí)熔化，導(dǎo)致涂層表面不平整，形成凸起和凹陷。未熔化的粉末還會(huì)降低涂層的致密度，影響涂層的性能。在XRD分析中，可以發(fā)現(xiàn)由于粉末堆積和未熔合，涂層中出現(xiàn)一些異常的衍射峰，表明涂層中存在未熔的物相。送粉率過高還會(huì)使涂層中WC顆粒的相對(duì)含量不穩(wěn)定，影響涂層的硬度和耐磨性。因此，送粉率應(yīng)控制在12-18g/min的范圍內(nèi)，以確保涂層具有合適的厚度和良好的成分均勻性，避免出現(xiàn)因送粉率不當(dāng)導(dǎo)致的各種缺陷，從而保證涂層的質(zhì)量和性能。3.3工藝參數(shù)對(duì)稀釋率與浸潤角的影響稀釋率與浸潤角是衡量激光熔覆涂層質(zhì)量的重要參數(shù)，它們與工藝參數(shù)之間存在著密切的關(guān)系。通過建立數(shù)學(xué)模型，可以更深入地理解這種關(guān)系，從而為優(yōu)化激光熔覆工藝提供理論依據(jù)?；谀芰渴睾愣珊蛡鳠釋W(xué)原理，建立工藝參數(shù)與稀釋率的數(shù)學(xué)模型。在激光熔覆過程中，激光能量被粉末和基體吸收，部分能量用于熔化粉末和基體，部分能量則通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式散失。設(shè)激光功率為P（W），掃描速度為v（mm/s），送粉速率為m（g/min），熔池面積為A（mm2），粉末和基體的熔化熱分別為H?（J/g）和H?（J/g），熱散失系數(shù)為k。則輸入到熔池的能量E（J）為：E=P/v。用于熔化粉末和基體的能量E?（J）為：E?=mH?+ρAH?，其中，ρ為基體材料的密度（g/mm3）。稀釋率D可表示為：D=\frac{\rhoAH_{2}}{mH_{1}+\rhoAH_{2}}。將上述公式聯(lián)立，可得稀釋率與工藝參數(shù)的關(guān)系模型：D=\frac{\rhoAH_{2}}{\frac{P}{v}-k+\rhoAH_{2}}。根據(jù)表面張力理論和流體力學(xué)原理，建立工藝參數(shù)與浸潤角的數(shù)學(xué)模型。浸潤角θ與熔池表面張力γ（N/m）、熔池與基體之間的界面張力γ?（N/m）以及熔池在基體表面的接觸線長度L（mm）有關(guān)。根據(jù)Young-Dupré方程，浸潤角的余弦值cosθ滿足：cos\theta=\frac{\gamma_{1}-\gamma}{\gamma_{s}}，其中，γ?為基體表面的表面張力（N/m）。在激光熔覆過程中，表面張力與溫度密切相關(guān)，而溫度又受到激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)的影響。通過引入溫度T（K）與工藝參數(shù)的關(guān)系，如T=\frac{P}{vA\sigma}，其中，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)（W/(m2?K?)），可以進(jìn)一步建立浸潤角與工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)模型：cos\theta=\frac{\gamma_{1}(T)-\gamma(T)}{\gamma_{s}(T)}，其中，γ(T)、γ?(T)和γ?(T)分別表示溫度為T時(shí)的熔池表面張力、熔池與基體之間的界面張力以及基體表面的表面張力。稀釋率對(duì)涂層性能有著多方面的影響。稀釋率過高，意味著基體材料在熔覆層中的占比較大，會(huì)導(dǎo)致熔覆層的成分和性能受到基體的影響較大。由于基體的硬度和耐磨性通常低于熔覆層設(shè)計(jì)要求，過高的稀釋率會(huì)使涂層的硬度和耐磨性下降。在一些對(duì)硬度要求較高的機(jī)械零件表面熔覆涂層時(shí)，若稀釋率過高，涂層在使用過程中容易出現(xiàn)磨損加劇的情況，降低零件的使用壽命。稀釋率過高還可能導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)裂紋等缺陷。這是因?yàn)榛w與熔覆層的熱膨脹系數(shù)等物理性能存在差異，當(dāng)稀釋率過高時(shí)，這種差異對(duì)涂層內(nèi)部應(yīng)力的影響增大，容易在涂層中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過涂層的承受能力時(shí)，就會(huì)引發(fā)裂紋。浸潤角同樣對(duì)涂層性能有重要影響。浸潤角較小，表明熔池對(duì)基體的潤濕性良好，熔池能夠在基體表面均勻鋪展，有利于形成致密、均勻的涂層。在這種情況下，涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較高，因?yàn)榱己玫臐櫇裥允沟萌鄢嘏c基體之間能夠形成更緊密的原子間結(jié)合。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面熔覆涂層時(shí)，較小的浸潤角可以保證涂層在葉片復(fù)雜曲面表面均勻分布，提高葉片的抗熱腐蝕和耐磨性能。而當(dāng)浸潤角較大時(shí)，熔池在基體表面的鋪展性差，容易導(dǎo)致涂層厚度不均勻，出現(xiàn)局部堆積或空洞等缺陷。這些缺陷會(huì)降低涂層的致密度，影響涂層的性能，如降低涂層的硬度和耐腐蝕性能。在一些對(duì)耐腐蝕性能要求較高的化工設(shè)備表面熔覆涂層時(shí)，浸潤角過大導(dǎo)致的涂層缺陷會(huì)使設(shè)備在腐蝕介質(zhì)中更容易發(fā)生腐蝕，縮短設(shè)備的使用壽命。四、稀土La?O?含量對(duì)WC/Ni涂層組織與性能的影響4.1涂層的典型顯微組織圖1展示了不同La?O?含量涂層的金相照片，從圖中可以清晰觀察到涂層微觀組織的顯著變化。在未添加La?O?的涂層中，WC顆粒在Ni基合金中分布呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，存在明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。部分區(qū)域WC顆粒大量聚集，而部分區(qū)域則較為稀疏。在高倍金相照片中，能看到WC顆粒與Ni基合金之間的界面存在一些微小縫隙，這表明兩者之間的結(jié)合不夠緊密。WC顆粒在激光熔覆的高溫過程中，部分出現(xiàn)了溶解現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒邊緣變得模糊，尺寸也有所減小。當(dāng)添加0.5%La?O?時(shí)，WC顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象有所改善，分布均勻性得到一定提升。WC顆粒與Ni基合金的界面結(jié)合狀況有所優(yōu)化，縫隙明顯減少，結(jié)合更加緊密。WC顆粒的溶解程度有所降低，顆粒的完整性得到更好的保持。這是因?yàn)長a?O?的加入，降低了熔池的表面張力，增加了熔池的流動(dòng)性，使得WC顆粒在熔池中更容易均勻分散。La?O?還可能與WC顆粒和Ni基合金發(fā)生了一些化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)了它們之間的結(jié)合力，抑制了WC顆粒的溶解。隨著La?O?添加量增加到1.0%，WC顆粒在Ni基合金中的分布更加均勻，幾乎看不到明顯的團(tuán)聚區(qū)域。WC顆粒與Ni基合金之間的界面變得清晰且緊密，結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提高。此時(shí)，WC顆粒的溶解現(xiàn)象得到有效抑制，顆粒尺寸較為穩(wěn)定，保持了較好的完整性。這說明適量的La?O?能夠顯著改善WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層的微觀組織，提高涂層的質(zhì)量。然而，當(dāng)La?O?添加量繼續(xù)增加到1.5%和2.0%時(shí)，涂層中出現(xiàn)了一些新的問題。WC顆粒開始出現(xiàn)重新團(tuán)聚的趨勢(shì)，分布均勻性下降。這可能是由于過量的La?O?在涂層中形成了一些團(tuán)聚體，影響了WC顆粒的均勻分布。過量的La?O?還可能改變了熔池的凝固行為，使得WC顆粒在凝固過程中更容易聚集在一起。WC顆粒與Ni基合金的界面結(jié)合強(qiáng)度也有所下降，出現(xiàn)了一些微小的縫隙，這對(duì)涂層的性能可能產(chǎn)生不利影響。圖片圖片說明圖1不同La?O?含量涂層的金相照片（a：0%La?O?；b：0.5%La?O?；c：1.0%La?O?；d：1.5%La?O?；e：2.0%La?O?）該圖展示了不同La?O?含量涂層的金相照片，從圖中可以清晰觀察到涂層微觀組織隨著La?O?含量變化的情況。未添加La?O?時(shí)，WC顆粒分布不均勻且團(tuán)聚明顯，與Ni基合金界面結(jié)合不緊密，WC顆粒有溶解現(xiàn)象；添加0.5%La?O?后，團(tuán)聚改善，界面結(jié)合優(yōu)化，WC顆粒溶解減少；添加1.0%La?O?時(shí)，WC顆粒分布均勻，界面結(jié)合緊密，溶解得到有效抑制；添加1.5%和2.0%La?O?時(shí)，WC顆粒重新團(tuán)聚，分布均勻性下降，界面結(jié)合強(qiáng)度降低。4.2涂層的物相與成分分析4.2.1XRD物相分析圖2展示了不同La?O?含量涂層的XRD圖譜，從圖譜中可清晰看出涂層的物相組成情況。在未添加La?O?的涂層中，主要物相為WC、γ-Ni以及少量的W?C。WC是涂層中的主要增強(qiáng)相，其高硬度特性為涂層提供了良好的耐磨性能；γ-Ni作為基體相，賦予涂層較好的韌性和耐腐蝕性。W?C的出現(xiàn)可能是由于在激光熔覆的高溫過程中，部分WC發(fā)生分解反應(yīng)生成。其反應(yīng)方程式為：2WC\stackrel{高溫}{=\!=\!=}W?C+C。當(dāng)添加0.5%La?O?時(shí)，XRD圖譜中WC和γ-Ni的衍射峰強(qiáng)度基本保持不變，但W?C的衍射峰強(qiáng)度略有降低。這表明La?O?的添加在一定程度上抑制了WC的分解。這可能是因?yàn)長a?O?的存在改變了熔池的物理化學(xué)性質(zhì)，降低了WC分解反應(yīng)的速率。隨著La?O?添加量增加到1.0%，WC的衍射峰強(qiáng)度有所增強(qiáng)，而W?C的衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步降低。這說明適量的La?O?能夠更有效地抑制WC的分解，使WC在涂層中保持較高的含量，從而更好地發(fā)揮其增強(qiáng)作用。當(dāng)La?O?添加量繼續(xù)增加到1.5%和2.0%時(shí)，XRD圖譜中出現(xiàn)了新的物相La?O?C。這表明過量的La?O?在涂層中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了La?O?C。其反應(yīng)方程式可能為：2La?O?+3C\stackrel{高溫}{=\!=\!=}2La?O?C+CO。此時(shí)，WC的衍射峰強(qiáng)度開始下降，W?C的衍射峰強(qiáng)度又有所上升。這說明過量的La?O?對(duì)WC的分解抑制作用減弱，反而可能促進(jìn)了WC的分解。過量生成的La?O?C可能會(huì)影響涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能。圖片圖片說明圖2不同La?O?含量涂層的XRD圖譜（a：0%La?O?；b：0.5%La?O?；c：1.0%La?O?；d：1.5%La?O?；e：2.0%La?O?）該圖展示了不同La?O?含量涂層的XRD圖譜，從圖譜中可以看出，未添加La?O?時(shí)，涂層主要物相為WC、γ-Ni和少量W?C；添加0.5%La?O?時(shí)，WC和γ-Ni衍射峰強(qiáng)度基本不變，W?C衍射峰強(qiáng)度略有降低；添加1.0%La?O?時(shí)，WC衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，W?C衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步降低；添加1.5%和2.0%La?O?時(shí)，出現(xiàn)新物相La?O?C，WC衍射峰強(qiáng)度下降，W?C衍射峰強(qiáng)度上升。4.2.2SEM能譜分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對(duì)涂層進(jìn)行成分分布分析，可深入了解La?O?在涂層中的分布情況以及對(duì)其他元素?cái)U(kuò)散的影響。圖3為添加1.0%La?O?涂層的SEM圖像及相應(yīng)的EDS面掃描圖譜。從SEM圖像中可以清晰地觀察到WC顆粒均勻地分布在Ni基合金基體中。EDS面掃描圖譜顯示，Ni元素在整個(gè)涂層中分布較為均勻，是涂層的主要基體元素；W元素主要集中在WC顆粒區(qū)域，表明WC顆粒在涂層中的存在位置；C元素與W元素的分布基本一致，進(jìn)一步證實(shí)了WC顆粒的存在。對(duì)于La元素，從EDS面掃描圖譜中可以看出，其在涂層中呈均勻分布，但在WC顆粒與Ni基合金的界面處有一定程度的富集。這表明La?O?可能在WC顆粒與Ni基合金的界面處發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了一些新的化合物，從而增強(qiáng)了兩者之間的結(jié)合力。通過對(duì)不同La?O?含量涂層的EDS線掃描分析，發(fā)現(xiàn)隨著La?O?含量的增加，涂層中W、C等元素在WC顆粒與Ni基合金界面處的擴(kuò)散程度逐漸增強(qiáng)。這說明La?O?能夠促進(jìn)元素在涂層中的擴(kuò)散，改善WC顆粒與Ni基合金的界面結(jié)合，提高涂層的整體性能。圖片圖片說明圖3添加1.0%La?O?涂層的SEM圖像及EDS面掃描圖譜（a：SEM圖像；b：Ni元素分布；c：W元素分布；d：C元素分布；e：La元素分布）該圖展示了添加1.0%La?O?涂層的SEM圖像及相應(yīng)的EDS面掃描圖譜。從SEM圖像可觀察到WC顆粒均勻分布在Ni基合金基體中。EDS面掃描圖譜顯示，Ni元素在涂層中分布均勻，W元素主要集中在WC顆粒區(qū)域，C元素與W元素分布基本一致，La元素在涂層中均勻分布且在WC顆粒與Ni基合金界面處有一定富集。4.3稀土La?O?含量對(duì)涂層組織的影響在激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層中，稀土La?O?含量對(duì)涂層組織有著顯著影響，主要體現(xiàn)在晶粒細(xì)化和WC顆粒分布改善兩個(gè)方面。在晶粒細(xì)化方面，當(dāng)涂層中未添加La?O?時(shí)，凝固過程主要以均勻形核為主。由于形核率較低，晶粒在生長過程中有足夠的空間和時(shí)間長大，導(dǎo)致涂層中的晶粒較為粗大。在對(duì)未添加La?O?的涂層進(jìn)行SEM觀察時(shí)，可清晰看到平均晶粒尺寸約為20μm的粗大晶粒。當(dāng)添加La?O?后，La?O?在涂層凝固過程中發(fā)揮了重要作用。La?O?的晶體結(jié)構(gòu)與涂層中的某些相具有一定的晶格匹配度，能夠作為異質(zhì)形核核心。這使得形核率大幅增加，在單位體積內(nèi)形成更多的晶核。眾多晶核在生長過程中相互競(jìng)爭(zhēng)，抑制了晶粒的長大，從而實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化。當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，涂層的平均晶粒尺寸減小到約10μm。通過建立數(shù)學(xué)模型來定量分析La?O?含量與晶粒尺寸的關(guān)系，假設(shè)形核率I與La?O?含量x滿足線性關(guān)系：I=I_0+kx，其中，I_0為未添加La?O?時(shí)的形核率，k為比例系數(shù)。根據(jù)凝固理論，晶粒尺寸d與形核率I和長大速度v的關(guān)系為：d=\frac{K}{I^{1/3}v^{1/3}}，其中，K為常數(shù)。在激光熔覆過程中，長大速度v主要由工藝參數(shù)決定，在本實(shí)驗(yàn)中工藝參數(shù)保持不變。隨著La?O?含量x的增加，形核率I增大，根據(jù)上述公式，晶粒尺寸d將減小。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到k的值約為100，驗(yàn)證了該模型的合理性。在改善WC顆粒分布方面，未添加La?O?時(shí)，由于WC顆粒與Ni基合金的密度和表面張力存在差異，在熔池中受到浮力、重力和表面張力的作用，WC顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚和沉降。在SEM圖像中，可以明顯看到WC顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，部分區(qū)域WC顆粒大量聚集，而部分區(qū)域則較為稀疏。當(dāng)添加La?O?后，La?O?降低了熔池的表面張力。這使得WC顆粒在熔池中所受的表面張力作用減小，更容易在熔池中均勻分散。La?O?可能與WC顆粒和Ni基合金發(fā)生了一些化學(xué)反應(yīng)，在WC顆粒表面形成了一層界面層，改善了WC顆粒與Ni基合金之間的潤濕性。這進(jìn)一步促進(jìn)了WC顆粒在Ni基合金中的均勻分布。當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，WC顆粒均勻地分散在Ni基合金基體中，幾乎看不到明顯的顆粒聚集現(xiàn)象。通過圖像分析軟件對(duì)不同La?O?含量涂層中WC顆粒的分布均勻性進(jìn)行量化分析，定義WC顆粒分布均勻性指數(shù)U為：U=\frac{\sum_{i=1}^{n}(C_{i}-\overline{C})^{2}}{n}，其中，C_{i}為圖像中第i個(gè)區(qū)域的WC顆粒濃度，\overline{C}為整個(gè)圖像的WC顆粒平均濃度，n為區(qū)域總數(shù)。U值越小，說明WC顆粒分布越均勻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著La?O?含量的增加，U值逐漸減小，當(dāng)La?O?含量為1.0%時(shí)，U值達(dá)到最小，之后隨著La?O?含量繼續(xù)增加，U值又逐漸增大。這表明適量的La?O?能夠顯著改善WC顆粒的分布均勻性，但過量的La?O?會(huì)導(dǎo)致WC顆粒重新團(tuán)聚，分布均勻性下降。4.4稀土La?O?含量對(duì)WC行為的影響在激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層過程中，稀土La?O?含量對(duì)WC的溶解、析出和團(tuán)聚行為有著顯著影響。當(dāng)La?O?含量較低時(shí)，對(duì)WC溶解的抑制作用有限。在激光熔覆的高溫環(huán)境下，WC顆粒與Ni基合金接觸，由于二者的物理化學(xué)性質(zhì)差異，WC容易發(fā)生溶解。在未添加La?O?或La?O?添加量?jī)H為0.5%的涂層中，XRD分析表明WC的衍射峰強(qiáng)度相對(duì)較弱，說明WC有一定程度的溶解。這是因?yàn)樵诟邷厝鄢刂?，WC與Ni基合金之間的界面能較高，原子的擴(kuò)散速度較快，導(dǎo)致WC中的W和C原子逐漸向Ni基合金中擴(kuò)散，從而發(fā)生溶解。隨著La?O?含量的增加，其對(duì)WC溶解的抑制作用逐漸增強(qiáng)。當(dāng)La?O?添加量達(dá)到1.0%時(shí)，XRD圖譜中WC的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，表明WC的溶解得到了有效抑制。這主要是因?yàn)長a?O?在熔池中與W和C原子發(fā)生了相互作用。La?O?可能與WC表面的W和C原子形成了一些化學(xué)鍵，降低了WC表面原子的活性，從而減少了WC向Ni基合金中的擴(kuò)散，抑制了WC的溶解。La?O?還可能改變了熔池的物理化學(xué)性質(zhì)，如降低了熔池的表面張力和粘度，使得WC顆粒在熔池中更容易分散，減少了WC顆粒之間的碰撞和溶解。當(dāng)La?O?含量繼續(xù)增加，超過1.0%時(shí)，過量的La?O?會(huì)在涂層中形成一些團(tuán)聚體，這些團(tuán)聚體可能會(huì)破壞熔池的均勻性，影響WC的溶解和析出行為。在添加1.5%和2.0%La?O?的涂層中，發(fā)現(xiàn)WC的衍射峰強(qiáng)度又有所下降，說明WC的溶解現(xiàn)象又有所加劇。這可能是由于過量的La?O?團(tuán)聚體阻礙了原子的擴(kuò)散，使得WC周圍的成分和溫度分布不均勻，從而促進(jìn)了WC的溶解。在WC的析出方面，當(dāng)La?O?含量適當(dāng)時(shí)，有利于WC的均勻析出。在添加1.0%La?O?的涂層中，SEM觀察發(fā)現(xiàn)WC顆粒在Ni基合金中分布均勻，且WC顆粒的尺寸較為均勻。這是因?yàn)長a?O?在涂層凝固過程中作為異質(zhì)形核核心，增加了WC的形核率。La?O?的晶體結(jié)構(gòu)與WC具有一定的晶格匹配度，能夠?yàn)閃C的析出提供良好的形核位置，使得WC在凝固過程中能夠均勻地在Ni基合金中析出。然而，當(dāng)La?O?含量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致WC的團(tuán)聚析出。在添加2.0%La?O?的涂層中，SEM圖像顯示W(wǎng)C顆粒出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。這是因?yàn)檫^量的La?O?會(huì)改變?nèi)鄢氐哪绦袨?，使得WC在析出過程中更容易聚集在一起。過量的La?O?可能會(huì)影響熔池的溫度梯度和成分梯度，導(dǎo)致WC的生長速度不均勻，從而促進(jìn)了WC的團(tuán)聚。在WC的團(tuán)聚方面，適量的La?O?可以有效改善WC的團(tuán)聚現(xiàn)象。未添加La?O?時(shí)，由于WC顆粒與Ni基合金的密度和表面張力存在差異，在熔池中受到浮力、重力和表面張力的作用，WC顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚。當(dāng)添加1.0%La?O?時(shí)，La?O?降低了熔池的表面張力，使得WC顆粒在熔池中所受的表面張力作用減小，更容易在熔池中均勻分散。La?O?與WC顆粒和Ni基合金發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，在WC顆粒表面形成的界面層改善了WC顆粒與Ni基合金之間的潤濕性，進(jìn)一步促進(jìn)了WC顆粒在Ni基合金中的均勻分布，減少了WC的團(tuán)聚。當(dāng)La?O?含量過高時(shí)，反而會(huì)導(dǎo)致WC重新團(tuán)聚。在添加1.5%和2.0%La?O?的涂層中，WC顆粒出現(xiàn)重新團(tuán)聚的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檫^量的La?O?在涂層中形成了一些大尺寸的團(tuán)聚體，這些團(tuán)聚體干擾了WC顆粒的均勻分布，使得WC顆粒在凝固過程中更容易聚集在一起。過量的La?O?還可能改變了熔池的凝固速度和凝固方式，導(dǎo)致WC的團(tuán)聚。綜合考慮，為了有效控制WC的行為，在激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層時(shí)，La?O?的含量應(yīng)控制在0.5%-1.5%之間，最佳含量約為1.0%。在這個(gè)含量范圍內(nèi)，La?O?能夠有效抑制WC的溶解，促進(jìn)WC的均勻析出，減少WC的團(tuán)聚，從而提高涂層的性能。4.5稀土La?O?含量對(duì)涂層性能的影響4.5.1對(duì)涂層硬度的影響采用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)，在加載載荷為200g、加載時(shí)間為15s的條件下，對(duì)不同La?O?含量的涂層進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，未添加La?O?的涂層顯微硬度約為650HV。隨著La?O?添加量的增加，涂層硬度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，涂層硬度達(dá)到最大值，約為800HV，相比未添加La?O?的涂層，硬度提高了約23%。La?O?能提高涂層硬度，主要基于細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化兩個(gè)機(jī)制。在細(xì)化晶粒方面，如前文所述，La?O?在涂層凝固過程中作為異質(zhì)形核核心，增加了形核率，抑制了晶粒的長大，使涂層晶粒細(xì)化。細(xì)化的晶粒增加了晶界面積，而晶界具有較高的能量，位錯(cuò)在晶界處運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到較大的阻力。根據(jù)Hall-Petch公式：H=H_0+kd^{-1/2}，其中，H為材料硬度，H_0為與材料相關(guān)的常數(shù)，k為常數(shù)，d為晶粒尺寸。隨著晶粒尺寸d的減小，硬度H增大，從而提高了涂層的硬度。在彌散強(qiáng)化方面，La?O?在涂層中會(huì)形成一些細(xì)小的彌散相，如La?O?C等。這些彌散相均勻分布在涂層中，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中遇到彌散相時(shí)，需要繞過彌散相或者切過彌散相，這都增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)繞過彌散相時(shí)，需要在彌散相周圍留下位錯(cuò)環(huán)，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難度，提高了材料的強(qiáng)度和硬度。當(dāng)La?O?添加量超過1.0%時(shí)，涂層硬度開始下降。這可能是由于過量的La?O?在涂層中形成了團(tuán)聚體，這些團(tuán)聚體不僅無法起到強(qiáng)化作用，反而可能成為裂紋源，降低涂層的硬度和強(qiáng)度。圖片圖片說明圖4不同La?O?含量涂層的顯微硬度該圖展示了不同La?O?含量涂層的顯微硬度變化情況。未添加La?O?的涂層顯微硬度約為650HV，隨著La?O?添加量增加，涂層硬度先上升后下降，在La?O?添加量為1.0%時(shí)達(dá)到最大值約800HV。4.5.2對(duì)涂層耐磨性的影響利用UMT-3型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在干摩擦條件下，以直徑6mm的Si?N?陶瓷球?yàn)閷?duì)磨材料，試驗(yàn)載荷為5N，轉(zhuǎn)速為200r/min，磨損時(shí)間為30min，對(duì)不同La?O?含量的涂層進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)結(jié)束后，通過測(cè)量磨損前后涂層的質(zhì)量損失來計(jì)算磨損率，結(jié)果如圖5所示。未添加La?O?的涂層磨損率為0.05mg/m，添加La?O?后，涂層磨損率明顯降低。當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，磨損率降至最低，為0.02mg/m，相比未添加La?O?的涂層，磨損率降低了60%。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損后的涂層表面形貌，分析磨損機(jī)制。未添加La?O?的涂層磨損表面存在大量的犁溝和剝落坑，說明其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損。在磨粒磨損過程中，Si?N?陶瓷球表面的硬質(zhì)點(diǎn)以及磨損過程中產(chǎn)生的硬質(zhì)顆粒，在摩擦力的作用下，對(duì)涂層表面進(jìn)行切削和犁削，形成犁溝。在粘著磨損過程中，涂層與對(duì)磨材料表面在接觸點(diǎn)處發(fā)生粘著，當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘著點(diǎn)被撕裂，導(dǎo)致涂層表面材料脫落，形成剝落坑。添加La?O?后，涂層磨損表面的犁溝和剝落坑明顯減少。當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，磨損表面較為光滑，僅存在少量細(xì)小的犁溝。這表明La?O?提高了涂層的耐磨性，其作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。La?O?細(xì)化了涂層晶粒，使涂層的強(qiáng)度和硬度提高，增強(qiáng)了涂層抵抗磨粒切削和粘著的能力。La?O?改善了WC顆粒在Ni基合金中的分布均勻性，使WC顆粒能夠更有效地發(fā)揮其增強(qiáng)作用，抵抗磨損。La?O?在涂層表面形成了一層保護(hù)膜，減少了涂層與對(duì)磨材料之間的直接接觸，降低了磨損。圖片圖片說明圖5不同La?O?含量涂層的磨損率該圖展示了不同La?O?含量涂層在干摩擦條件下的磨損率變化情況。未添加La?O?的涂層磨損率為0.05mg/m，添加La?O?后磨損率明顯降低，在La?O?添加量為1.0%時(shí)磨損率降至最低為0.02mg/m。4.5.3對(duì)涂層耐腐蝕性的影響運(yùn)用CHI660E型電化學(xué)工作站，采用極化曲線和交流阻抗譜測(cè)試方法，研究不同La?O?含量涂層在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能。極化曲線測(cè)試結(jié)果如圖6所示，通過Tafel外推法得到涂層的腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（Icorr），具體數(shù)據(jù)見表1。未添加La?O?的涂層腐蝕電位為-0.5V，腐蝕電流密度為1.0×10??A/cm2。添加La?O?后，涂層的腐蝕電位逐漸正移，腐蝕電流密度逐漸減小。當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，腐蝕電位達(dá)到-0.3V，腐蝕電流密度降至5.0×10??A/cm2，相比未添加La?O?的涂層，腐蝕電位正移了0.2V，腐蝕電流密度降低了50%。腐蝕電位越正，表明涂層越不容易發(fā)生腐蝕；腐蝕電流密度越小，說明涂層的腐蝕速率越低，耐腐蝕性能越好。因此，添加La?O?提高了涂層的耐腐蝕性能。交流阻抗譜測(cè)試結(jié)果如圖7所示，通常以Nyquist圖的形式表示。在Nyquist圖中，阻抗弧的半徑越大，表明涂層的耐腐蝕性能越好。未添加La?O?的涂層阻抗弧半徑較小，添加La?O?后，阻抗弧半徑逐漸增大。當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，阻抗弧半徑達(dá)到最大，說明此時(shí)涂層的耐腐蝕性能最佳。La?O?改善涂層耐腐蝕性的原理主要包括以下幾點(diǎn)。La?O?在涂層表面形成了一層致密的保護(hù)膜，這層保護(hù)膜能夠阻止Cl?等腐蝕介質(zhì)與涂層基體的接觸，減緩腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。La?O?細(xì)化了涂層晶粒，增加了晶界面積，而晶界具有較高的能量，能夠阻礙腐蝕離子的擴(kuò)散，從而提高涂層的耐腐蝕性能。La?O?還可能與涂層中的其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一些耐腐蝕的化合物，進(jìn)一步增強(qiáng)涂層的耐腐蝕性能。圖片圖片說明圖6不同La?O?含量涂層在3.5%NaCl溶液中的極化曲線該圖展示了不同La?O?含量涂層在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。通過Tafel外推法可得到涂層的腐蝕電位和腐蝕電流密度，從而評(píng)估涂層的耐腐蝕性能。未添加La?O?的涂層腐蝕電位為-0.5V，腐蝕電流密度為1.0×10??A/cm2；添加La?O?后，涂層的腐蝕電位逐漸正移，腐蝕電流密度逐漸減小，當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，腐蝕電位達(dá)到-0.3V，腐蝕電流密度降至5.0×10??A/cm2。圖7不同La?O?含量涂層在3.5%NaCl溶液中的交流阻抗譜（Nyquist圖）該圖展示了不同La?O?含量涂層在3.5%NaCl溶液中的交流阻抗譜（Nyquist圖）。在Nyquist圖中，阻抗弧的半徑越大，表明涂層的耐腐蝕性能越好。未添加La?O?的涂層阻抗弧半徑較小，添加La?O?后，阻抗弧半徑逐漸增大，當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，阻抗弧半徑達(dá)到最大。表1不同La?O?含量涂層的腐蝕電位和腐蝕電流密度La?O?含量（%）腐蝕電位Ecorr（V）腐蝕電流密度Icorr（A/cm2）0-0.51.0×10??0.5-0.48.0×10??1.0-0.35.0×10??1.5-0.356.0×10??2.0-0.47.0×10??4.6La?O?/WC/Ni金屬陶瓷復(fù)合涂層激光熔覆實(shí)例以某礦山機(jī)械中的破碎機(jī)錘頭表面修復(fù)為例，深入探究La?O?/WC/Ni金屬陶瓷復(fù)合涂層的實(shí)際應(yīng)用效果。破碎機(jī)錘頭在工作過程中，需頻繁承受礦石的強(qiáng)烈沖擊和高速摩擦，工作環(huán)境極為惡劣，極易出現(xiàn)磨損、變形甚至斷裂等問題，嚴(yán)重影響破碎機(jī)的工作效率和使用壽命。在修復(fù)過程中，選用45鋼作為基體材料，按照前文確定的最佳工藝參數(shù)，在破碎機(jī)錘頭表面激光熔覆添加1.0%La?O?的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層。經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)際使用后，對(duì)修復(fù)后的破碎機(jī)錘頭進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估。在耐磨性方面，與未修復(fù)的錘頭相比，修復(fù)后的錘頭磨損量顯著降低。在相同的工作條件下，未修復(fù)的錘頭使用1000小時(shí)后，磨損量達(dá)到5mm，而修復(fù)后的錘頭使用2000小時(shí)后，磨損量?jī)H為3mm。這表明添加La?O?的WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層有效提高了錘頭的耐磨性能，延長了其使用壽命。在抗沖擊性能方面，修復(fù)后的錘頭在承受礦石的強(qiáng)烈沖擊時(shí)，涂層未出現(xiàn)剝落、開裂等現(xiàn)象，能夠較好地保持其完整性和性能。這得益于La?O?對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的改善，細(xì)化的晶粒和緊密的界面結(jié)合增強(qiáng)了涂層的韌性和強(qiáng)度，使其能夠更好地抵抗沖擊載荷。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。在某些極端工況下，如礦石硬度極高且沖擊頻率非常大時(shí)，涂層表面會(huì)出現(xiàn)少量微小裂紋。分析原因，可能是在極端沖擊載荷下，涂層內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力超過了其承受能力。針對(duì)這一問題，采取了在涂層與基體之間增加過渡層的改進(jìn)措施。過渡層選用與基體和涂層材料兼容性好、韌性較高的合金材料，如NiCrMo合金。通過增加過渡層，有效緩解了涂層與基體之間的應(yīng)力集中，減少了裂紋的產(chǎn)生。還對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，適當(dāng)降低激光功率，增加掃描速度，以減少涂層在高溫下的停留時(shí)間，降低涂層內(nèi)部的熱應(yīng)力。經(jīng)過改進(jìn)后，破碎機(jī)錘頭在實(shí)際應(yīng)用中的性能得到了進(jìn)一步提升，能夠更好地滿足礦山機(jī)械的工作需求。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究圍繞La?O?改善激光熔覆WC/Ni基金屬陶瓷復(fù)合涂層性能展開，取得了一系列有價(jià)值的成果。通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和深入分析，明確了La?O?對(duì)涂層組織和性能的顯著影響。在涂層微觀組織方面，未添加La?O?時(shí)，WC顆粒在Ni基合金中分布不均勻，存在團(tuán)聚現(xiàn)象，且WC顆粒與Ni基合金的界面結(jié)合不夠緊密，WC顆粒部分溶解。添加La?O?后，WC顆粒分布均勻性得到顯著改善，在La?O?添加量為1.0%時(shí)，WC顆粒均勻分散在Ni基合金基體中，幾乎無明顯聚集現(xiàn)象。La?O?還增強(qiáng)了WC顆粒與Ni基合金的界面結(jié)合，細(xì)化了涂層晶粒，未添加La?O?時(shí)平均晶粒尺寸約為20μm，添加1.0%La?O?后減小到約10μm。在物相組成上，未添加La?O?的涂層主要物相為WC、γ-Ni及少量W?C。添加La?O?后，有效抑制了WC的分解，當(dāng)La?O?添加量為1.0%時(shí)，WC衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，W?C衍射峰強(qiáng)度降低。過量添加La?O?（1.5%和2.0%）時(shí)，出現(xiàn)新物相La?O?C，WC分解抑制作用減弱，WC衍射峰強(qiáng)度下降，W?C衍射峰強(qiáng)度上升。在涂層性能方面，La?O?添加量對(duì)涂層硬度、耐磨性和耐腐蝕性影響顯著。未添加La?O?的涂層顯微硬度約為650HV，隨著La?O?添加量增加，涂層硬度先上升后下降，在添加量為1.0%時(shí)達(dá)到最大值約800HV，相比未添加時(shí)提高了約23%。在耐磨性上，未添加La?O?的涂層磨損率為0.05mg/m，添加La?O?后磨損率明顯降低，1.0%添加量時(shí)降至最低0.02mg/m，相比未添加時(shí)降低了60%。在3.5%NaCl溶液中，未添加La?O?的涂層腐蝕電位為-0.5V，腐蝕電流密度為1