广东省科学院智能制造研究所碳纳米管增强激光熔覆高熵合金涂层技术获进展

         根据中国科学报，碳纳米管（CNTs）是一种具有独特管状结构和优异力学、电学及化学性能的一维纳米材料，是制备金属基复合材料的理想增强体。近日，广东省科学院智能制造研究所先进激光增材制造技术创新团队在碳纳米管增强激光熔覆高熵合金涂层技术研究方面取得新进展。相关研究发表于《表面和喷涂技术》。

本期将对这一研究成果的核心内容进行分享。

©《表面与喷涂技术》

论文深入研究了CoCrFeNi-CNTs涂层的显微组织演变、耐磨性和强化机制。

论文 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0257897222001621?via%3Dihub

 研究背景

     根据中国科学报，目前，碳纳米管增强金属基复合材料仍主要采用冷压烧结、搅拌铸造、搅拌摩擦加工、粉末冶金、高压扭转、离子喷涂等技术制备。碳纳米管的团聚问题始终是制约其工业应用的主要原因之一，而球磨和超声分散方法均存在对工艺参数要求严苛、耗时耗能等问题。

       研究人员针对CoCrFeNi-CNTs复合粉末制备、涂层微观组织演变过程及摩擦磨损过程强化机理展开深入研究，利用自主开发的激光增减材系统成功制备出碳纳米管增强的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金复合涂层。研究发现，通过优化机械混合粉末工艺实现碳纳米管在粉末表面的弥散附着，碳纳米管的结构完整性得到保持；激光照射能量使多壁碳纳米管的外部碳层结构分解，碳原子固溶分布在涂层内，晶界形成层状的(Cr, Fe)7C3-α共晶，固溶和析出强化作用使涂层的硬度水平提高40%以上；涂层摩擦磨损过程中，晶间碳化物共晶逐渐在磨损表面沉积而形成致密的碳化物硬化层，提高涂层的耐磨损性能，磨损速率下降近80%。

       论文研究了碳纳米管 (CNTs) 增强的激光熔覆间隙 CoCrFeNi 高熵合金涂层的效果和特性。为了在熔覆前制备复合粉末，将碳纳米管和预合金化 CoCrFeNi 粉末机械混合，无需球磨处理，结果是表面上的碳纳米管的微观结构得到了很好的保护，不会受到严重的破坏。论文评估了碳纳米管 (CNTs) 增强对制备的间隙的微观结构和磨损行为的影响。结果表明，在CoCrFeNi-CNTs包覆层中发现晶间(Fe,Cr)7C3/α共晶物充分析出。与 CoCrFeNi 涂层相比，CoCrFeNi-CNTs 涂层的硬度提高了 42.2%。耐磨性与硬度呈正相关。CoCrFeNi-CNTs涂层的磨损率（2.18 × 10-5 mm3·N-1·m-1）明显低于CoCrFeNi涂层（10.54 × 10-5 mm3·N-1·m-1）。

      磨损性能的提高源于碳在晶粒上的固溶强化和(Fe,Cr)7C3碳化物在晶界上的析出强化。在磨损过程中，层状（Fe，Cr）7C3/α共晶沉积在磨损表面，最终形成碳化物硬化层结构，防止了CoCrFeNi-CNTs涂层的严重磨损。

该研究解决了传统的fcc单相CoCrFeNi系列高熵合金耐腐蚀性优异但硬度和耐磨性能不够理想的问题，促进该系列合金的工业应用。