基于第一性原理的碳化鉻陶瓷顆粒形貌預(yù)測(cè)及驗(yàn)證分析＊

劉 琛 李金華 姚芳萍 郭海華 陳 翔

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州 121001）

激光熔覆是將高能密度的激光束作為發(fā)熱源，使原料粉末快速熔化沉積在母板上，凝固成型，冶金結(jié)合涂層的一種增材制造方法[1-3]。其涂層的熱影響區(qū)小，稀釋率低，與基體能形成良好的冶金結(jié)合，同時(shí)激光熔覆過(guò)程中加熱與冷卻速率變化快，得到的熔覆層晶粒細(xì)小均勻，能有效提高材料的耐磨性、耐腐蝕性等，受到諸多學(xué)者的重視[4-5]，激光熔覆技術(shù)應(yīng)用在生活中的各個(gè)方面，得到了迅速發(fā)展。

隨著研究的不斷深入，人們對(duì)材料的性能要求越來(lái)越苛刻，對(duì)新的材料研究也越來(lái)越多，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)難以滿足人們的需求。激光熔覆技術(shù)的發(fā)展，使得第一性原理[6-8]成為了研究材料時(shí)必備手段之一。通過(guò)以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，從原子內(nèi)部進(jìn)行方程求解，預(yù)測(cè)晶體生長(zhǎng)，對(duì)界面進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)和評(píng)估材料性能。對(duì)材料的選取及研究起到了很大的作用。為了進(jìn)一步提高材料的性能，人們通過(guò)在涂層中添加一些增強(qiáng)顆粒，提高材料的性能，但是該方法結(jié)合性能差涂層加工過(guò)程中容易受到污染，出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象[9-10]。近年來(lái)，一種全新的方法成功解決了這個(gè)問(wèn)題，人們通過(guò)原位生成[11-13]增強(qiáng)相的方法來(lái)提高涂層性質(zhì)，這種方法制備的增強(qiáng)相顆粒細(xì)小，具有良好的濕潤(rùn)性，結(jié)合力強(qiáng)，增強(qiáng)相在涂層中均勻分布且組織細(xì)密。Obadele B A等[14]人和Xiong Y J等[15]人通過(guò)原位生成法，成功制備了碳化鎢鎳基涂層。涂層中的WC增強(qiáng)相均勻分布在涂層內(nèi)部，涂層表面沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，并且涂層硬度得到了很大的提升。周思華等[16]人采用激光熔覆技術(shù)原位生成了WC-B4C增強(qiáng)相，涂層與基體形成良好的結(jié)合，涂層的平均硬度達(dá)到了1 200 HV0.3，均勻分布在熔覆層內(nèi)部，提高了涂層耐磨性。Lu B W等[17]人激光熔覆原位生成了NbC增強(qiáng)相，生成的NbC通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化使Co50多層復(fù)合涂層得到了增強(qiáng)，使不同熔覆層之間的結(jié)合強(qiáng)度得到了提升。疏達(dá)[18]利用第一性原理對(duì)WC生長(zhǎng)形貌進(jìn)行了研究，并通過(guò)原位生成方式制備了WC增強(qiáng)顆粒，通過(guò)研究分析得出WC增強(qiáng)相形貌為三棱柱狀，與仿真形貌結(jié)果一致。Christensen M[19]等人通過(guò)密度函數(shù)理論對(duì)晶體的界面能進(jìn)行了計(jì)算，并預(yù)測(cè)了晶粒形態(tài)，發(fā)現(xiàn)WC晶粒呈現(xiàn)截?cái)嗳切螒B(tài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與預(yù)測(cè)結(jié)果相一致。

碳化鉻具有較高的硬度、良好的耐磨性、及耐腐蝕性，其價(jià)格低廉，在提高涂層性能方面應(yīng)用十分廣泛，是激光熔覆常用材料之一，目前多數(shù)研究者對(duì)制備碳化鉻增強(qiáng)相的研究主要為直接添加，對(duì)原位生成碳化鉻方面的研究尚不多見(jiàn)，同時(shí)對(duì)增強(qiáng)相的形貌及生長(zhǎng)機(jī)制研究相對(duì)空缺，對(duì)此本文將采用第一性原理與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合對(duì)碳化鉻增強(qiáng)鎳基涂層實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究并對(duì)增強(qiáng)相顆粒的生成機(jī)制和形貌進(jìn)行探究，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證，為原為生成增強(qiáng)相提供1種新的驗(yàn)證方式。同時(shí)為激光熔覆界面研究提供一定的理論基礎(chǔ)以及對(duì)晶體生長(zhǎng)形貌預(yù)測(cè)提供相應(yīng)的參考。

1 基于第一性原理的Cr 3C2形貌預(yù)測(cè)及Cr 3C2/Ni結(jié)合性能計(jì)算

1.1 碳化鉻晶體優(yōu)化及形貌預(yù)測(cè)

晶體的生長(zhǎng)形貌與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，晶體各個(gè)晶面間的生長(zhǎng)速率決定了它的生長(zhǎng)形貌。為了確定碳化鉻陶瓷相的形貌，使用Materials studio（8.0）軟件對(duì)其進(jìn)行表面能及生長(zhǎng)速率的計(jì)算，通過(guò)軟件計(jì)算分析和預(yù)測(cè)碳化鉻晶體的生長(zhǎng)形貌。碳化鉻晶體主要有兩種，Cr3C2與Cr7C3。但在激光熔覆過(guò)程中，由于Cr3C2的生成溫度較低（1 385 K），原位生成的碳化鉻晶體主要為Cr3C2，因此本文以Cr3C2為例進(jìn)行模型搭建。

在進(jìn)行形貌預(yù)測(cè)前，運(yùn)用Forcite分子動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)晶體結(jié)構(gòu)及原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使晶體表面能最小化，從而使Cr3C2的晶體結(jié)構(gòu)模型更符合實(shí)際。表1為Cr3C2幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)能量、原子間相互作用力、內(nèi)應(yīng)力和晶格形變等參數(shù)來(lái)到達(dá)優(yōu)化的目的，圖1～2為幾何優(yōu)化過(guò)程中各參量的變化圖。由圖可知，晶體密度、晶胞長(zhǎng)度和角度逐漸趨向平穩(wěn)，收斂于一個(gè)確定值，晶體能量、內(nèi)應(yīng)力很快達(dá)到較小水平，最終使Cr3C2呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 Cr 3C2幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化

表1 Cr3C2幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)

激光熔覆過(guò)程生成增強(qiáng)相后，增強(qiáng)顆粒總會(huì)朝著降低晶面和晶界能量的方向進(jìn)行生長(zhǎng)，也就是朝著生長(zhǎng)速率低的方向生長(zhǎng)。因此晶體形貌與晶體表面能有關(guān)，表面能與間面間距成一定比例關(guān)系[20]。

式中：R表示生長(zhǎng)速率；d表示間面間距，即生長(zhǎng)速率與間面間距成反比。

由于具有較大生長(zhǎng)速率的晶面在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)逐漸消失，能量越低的表面會(huì)留存下來(lái)。所以，Cr3C2會(huì)按照（0 0 1）=（0 0-1）＞（0 1 0）=（0-1 0）＞（0 1 1）=（0-1 -1）＞（0 1-1）等表面依次保留下來(lái)，生長(zhǎng)速率變化如圖3所示。

圖3 Cr 3C2生長(zhǎng)面的生長(zhǎng)速率

在激光熔覆開(kāi)始時(shí)，增強(qiáng)相顆粒處在生長(zhǎng)初期，Cr3C2晶體的所有晶面均處于相對(duì)平衡條件下生長(zhǎng)，晶體表面能在各自的密勒指數(shù)方向上幾乎相等，因此Cr3C2初始晶胞生長(zhǎng)類似一個(gè)球形，隨著晶體持續(xù)的長(zhǎng)大，各個(gè)表面各向異性不斷增加，逐漸形成一個(gè)不規(guī)則圖形，在生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速率大的表面在生長(zhǎng)中逐漸消失，最終形成一個(gè)菱形相的四邊形。同理Cr7C3晶體隨著生長(zhǎng)面的消失，最終生長(zhǎng)形成一個(gè)六邊形相，如圖4所示。

圖4 碳化鉻晶體生長(zhǎng)形貌

1.2 Cr 3C2/Ni結(jié)合性能計(jì)算及界面結(jié)合性能分析

為了更好地研究Cr3C2晶體的生長(zhǎng)形貌以及內(nèi)部環(huán)境影響因素，對(duì)Cr3C2/Ni界面結(jié)合性能進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)表征界面結(jié)合性能的好壞，推測(cè)界面對(duì)Cr3C2形貌產(chǎn)生的影響。不同的晶體在同一環(huán)境下存在相互結(jié)合的現(xiàn)象，不同的晶胞進(jìn)行結(jié)合通常是會(huì)選擇表面能較低的晶面。晶體的生長(zhǎng)總會(huì)沿著生長(zhǎng)速率小的晶面生長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)Cr3C2的(0 0 1)晶面的生長(zhǎng)速率最小，Ni的（1 1 1）晶面生長(zhǎng)速率最小，因此選取這兩個(gè)面進(jìn)行界面研究。

圖2 Cr 3C2幾何優(yōu)化中晶胞的變化

在構(gòu)建Cr3C2/Ni 界面對(duì)體系進(jìn)行第一性原理計(jì)算的模型中，界面的兩側(cè)也必須是 Ni基體與Cr3C2基體。在構(gòu)建界面模型前，對(duì)界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)的原子厚度進(jìn)行收斂計(jì)算，選擇合適的原子層數(shù)作為界面結(jié)合模型。原子層數(shù)越大，結(jié)果越符合真實(shí)形核與長(zhǎng)大過(guò)程，越能反應(yīng)體相材料的真實(shí)特征。但是原子層數(shù)越大，計(jì)算難度也就越大，計(jì)算負(fù)荷越大，因此需要計(jì)算原子層數(shù)的收斂值，確定其較為理想的層數(shù)。計(jì)算表面能通常選擇表面能較小且原子層數(shù)較多的情況。表面能[21]計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：Esurf為晶面的表面能；Eslab為晶面體系總能量；Ebulk為單個(gè)晶胞總能量；Nslab為晶面體系的原子數(shù)；Nbulk為單晶胞的原子數(shù)；A為體系的表面積。Cr3C2/Ni不同原子層數(shù)表面能如表2所示。

表2 Cr3C2/Ni 不同原子層數(shù)的表面能

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cr3C2原子層數(shù)為6層時(shí)，晶體表面能開(kāi)始收斂；Ni為5層時(shí)，表面能開(kāi)始收斂。結(jié)合數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)硬件問(wèn)題，選取Cr3C2為6層，Ni為5層來(lái)建立結(jié)合界面。

1.2.1 界面搭建

Ni原子與Cr3C2原子晶格常數(shù)差異較大，不能直接構(gòu)建模型，需要在Cr3C2（0 0 1）和Ni（1 1 1）表面層原子模型中進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后根據(jù)計(jì)算的收斂性結(jié)果，建立Cr3C2（0 0 1）/Ni（1 1 1）界面，模型如圖5所示：將5層Ni（1 1 1）堆垛在6層Cr3C2（0 0 1）表面，并且在上下表面添加2 nm的真空層。通常認(rèn)為錯(cuò)配率小于5%時(shí)能夠形成穩(wěn)定的晶格界面，通過(guò)式（3）計(jì)算錯(cuò)配率[22]，得

式中：ζ為界面的錯(cuò)配率；A為界面的重合面積；A1、A2分別為兩個(gè)晶面的面積，經(jīng)過(guò)計(jì)算，其錯(cuò)配率為2.098%。建立如圖5所示的界面模型。

圖5 Ni/Cr 3C2界面模型

1.2.2 界面結(jié)合性能分析

材料界面結(jié)合的強(qiáng)弱可以用粘附功來(lái)表示，粘附功越大，表示原子之間結(jié)合能力越強(qiáng)，界面結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，結(jié)合性能越好。式（4）為粘附功[23]計(jì)算公式。

式中：Wad為界面的粘附功；Eα、Eβ、Eα/β分別為晶面α、β、結(jié)合界面的能量；Aα/β為結(jié)合界面的面積。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，界面模型的粘附功為6.265 J·m-2，界面處Cr3C2、Ni原子間的距離為1.98?。結(jié)合后的界面的粘附功數(shù)值較大且界面處原子間距離較小，表明此處形成了穩(wěn)定的界面，界面的結(jié)合性能良好。穩(wěn)定的結(jié)合界面以及良好的結(jié)合性能對(duì)Cr3C2生長(zhǎng)有著積極的作用，為Cr3C2朝著四邊形態(tài)生長(zhǎng)提供了有利的環(huán)境。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行實(shí)際的原位生成Cr3C2增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層激光熔覆實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的粉末為自熔性Ni60粉末混入15%（C+Cr）粉，其中C和Cr的原子比為2:3，以H13鋼為基體材料，Ni60粉末與H13鋼主要組成成分如表3所示。在激光熔覆實(shí)驗(yàn)前，對(duì)基體進(jìn)行切割，選取試樣尺寸為50 mm×50 mm×10 mm，進(jìn)行表面打磨去除鐵銹和其他污物，打磨完后進(jìn)行表面清理吹干。為了保證粉末均勻，將Ni60粉末與15%（C+Cr）粉末置于瑪瑙球磨罐中，磨粒為5 mm左右的瑪瑙球，用DWH德越三維球磨機(jī)球磨2 h，確保不同粒度粉末混合均勻，熔覆過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)粉末團(tuán)聚，進(jìn)而保證涂層性能。

表3 Ni60合金粉末與基體H13鋼的主要組成成分

激光熔覆實(shí)驗(yàn)采用YLK-3000光纖激光綜合加工集成系統(tǒng)進(jìn)行加工。通過(guò)之前相關(guān)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)得出激光功率在1 400 kW，掃描速度為1.5 mm/s，送粉電壓為10 V時(shí)，得到的涂層形貌較好，無(wú)裂紋氣泡，稀釋率低，涂層組織細(xì)密均勻，力學(xué)性能好，因此選取該參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行線切割切割得到熔覆截面，使用砂紙打磨熔覆層，直至表面無(wú)劃痕后進(jìn)行拋光、腐蝕，用金相顯微鏡觀察熔覆層組織。使用顯微硬度計(jì)對(duì)涂層與基體進(jìn)行硬度測(cè)試，用掃描電鏡和X衍射儀對(duì)熔覆層顯微組織及物相進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 物相分析與組織形貌

圖6所示為原位生成碳化鉻增強(qiáng)涂層表面的X射線衍射圖譜，由圖可知，在高溫作用下，Cr粉跟C粉原為生成了Cr3C2與Cr7C32種碳化鉻生成物，在圖中的兩大高峰處，除了兩種碳化鉻增強(qiáng)相外還有一些未參與反應(yīng)的C元素，滲碳體以及Ni-Fe-Cr固溶體，這是因?yàn)镹i60中含量最多的是Cr元素以及Fe元素，在生成碳化鉻的同時(shí)也會(huì)生成部分Fe-C化合物。高峰中含有C元素，表明粉末中的C未完全發(fā)生反應(yīng)，這是因?yàn)镃粉的熔點(diǎn)高于Ni與Cr的熔點(diǎn)，且溶解度較低，未發(fā)生反應(yīng)的C粉游離在熔覆層中，對(duì)涂層起到了一定的潤(rùn)滑作用，進(jìn)一步提高了熔覆層的質(zhì)量。

圖6 碳化鉻涂層的XRD圖譜

通過(guò)對(duì)涂層增強(qiáng)顆粒的形貌和物相分析可知，涂層中主要增強(qiáng)顆粒為碳化鉻，圖7所示為原位生成碳化鉻的SEM圖，圖7a為結(jié)合區(qū)掃描電鏡圖像，由圖可知，基體與涂層界限清晰，熔覆層無(wú)裂紋氣孔等缺陷，與基體冶金結(jié)合良好。圖7b為熔覆層中部掃描電鏡圖像，從圖可看出涂層中增強(qiáng)顆粒主要呈現(xiàn)四邊形、六邊形和一些不規(guī)則形態(tài)。其中四邊形、六邊形與仿真預(yù)測(cè)相吻合，這是因?yàn)槿鄹策^(guò)程在很大程度上符合碳化鉻生長(zhǎng)的條件。為了進(jìn)一步驗(yàn)證形貌仿真的準(zhǔn)確性，對(duì)四邊形及六邊形區(qū)域進(jìn)行能譜分析。

圖7 原位生成碳化鉻SEM圖

圖8所示為兩種形貌增強(qiáng)區(qū)域的EDS能譜圖，表4和表5分別兩種區(qū)域的元素含量，由表4可知，在四邊形增強(qiáng)區(qū)域，Cr元素與C元素的原子質(zhì)量比約為1，且C元素含量較多，根據(jù)XRD結(jié)果有部分C原素未參與反應(yīng)，而Cr3C2原子比為1.5，Cr7C3原子質(zhì)量比為2.3，該處反應(yīng)與1.5較為接近，因此判定四邊形區(qū)域?yàn)镃r3C2，表5中Cr元素與C元素的原子比約為1.8，介于Cr3C2與Cr7C3原子質(zhì)量比之間，此處可能為Cr3C2也可能為Cr7C3，結(jié)合物相分析與原子比得出該點(diǎn)處為Cr7C3，其他不規(guī)則區(qū)域應(yīng)為Cr3C2與Cr7C3的共晶體。

圖8 能譜分析圖

表4 四邊形區(qū)域元素百分比

表5 六邊形區(qū)域元素百分比

通過(guò)物相分析可知涂層含有Cr3C2與Cr7C3兩種物質(zhì)，并在四邊形及六邊形處進(jìn)行能譜分析，可以得出原子含量及原子比，由上述分析及物相分析，可以確認(rèn)四邊形為Cr3C2，六邊形為Cr7C3。與仿真結(jié)果基本一致，可以確認(rèn)仿真準(zhǔn)確性。Cr3C2與Cr7C3原子在最理想的情況下則為四邊形及六邊形狀，不規(guī)則形狀是因?yàn)榧す馊鄹箔h(huán)境較為復(fù)雜，晶體不能理想化的生長(zhǎng)，會(huì)受到多種因素的干擾，因此產(chǎn)生了不規(guī)則狀。

3.2 碳化鉻的生長(zhǎng)機(jī)制與形貌

由于晶體生長(zhǎng)環(huán)境、晶體缺陷等因素都可能導(dǎo)致碳化鉻顆粒呈現(xiàn)不同形態(tài)，因此對(duì)碳化鉻的生長(zhǎng)機(jī)制做進(jìn)一步研究，探究不同形態(tài)顆粒的成因。

在激光熔覆原位生成碳化鉻過(guò)程中，主要發(fā)生以下反應(yīng)：2C+3Cr=Cr3C2，3C+7Cr=Cr7C3，圖9為碳化鉻熱力學(xué)性能分析圖，圖9a為碳化鉻的吉布斯自由能與溫度關(guān)系圖，由圖可知碳化鉻的兩種生成物在0～4 000 K溫度范圍內(nèi)的吉布斯自由能均小于0，自發(fā)反應(yīng)可自行向生成物方向進(jìn)行。圖9b為碳化鉻生成焓與溫度關(guān)系圖，由圖可知在0～4 000 K時(shí)，Cr3C2與Cr7C3生成焓ΔH均為負(fù)值，則該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在生成過(guò)程中會(huì)釋放大量熱能。由于ΔH小于0，在激光熔覆過(guò)程中，隨著反應(yīng)發(fā)生釋放熱能及激光的照射，熔池具有非常高的溫度，溫度的升高造成熔池中沖擊對(duì)流和攪拌強(qiáng)度增大，同時(shí)熔池中極大的過(guò)冷度和極短的冷卻時(shí)間，使熔池中的溶質(zhì)擴(kuò)散作用被抑制，在流場(chǎng)作用下，液相中對(duì)流傳質(zhì)和碰撞長(zhǎng)大反應(yīng)很強(qiáng)烈[24]。熔池中被抑制擴(kuò)散的溶質(zhì)，隨著對(duì)流作用的增強(qiáng)，在對(duì)流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的碰撞，且碰撞作用不斷增強(qiáng)，熔池中的碳化鉻在此作用下會(huì)發(fā)生聚集和碰撞，因此，碳化鉻增強(qiáng)顆粒形貌產(chǎn)生了變化，出現(xiàn)了花瓣形、三角形和團(tuán)狀等多種形狀。

圖9 吉布斯自由能、生成焓與溫度之間的關(guān)系

冷卻因素對(duì)碳化鉻的形貌也有很大的影響，涂層中碳化鉻的分布以及形貌的差異都與其有關(guān)，根據(jù)熱力學(xué)理論,晶粒在凝固過(guò)程中臨界晶核數(shù)量可用式（5）來(lái)表示。

式中：nc為臨界晶核數(shù)量；N為可供形核的位置數(shù)量；ΔG為自由能差；k為波爾茲曼常數(shù)；T為溫度。

隨著反應(yīng)的發(fā)生，過(guò)冷度不斷增大，會(huì)使ΔG增大，液相中的臨界形核數(shù)量也增多?；w與涂層接觸界面處，在基體強(qiáng)烈的熱傳導(dǎo)冷卻作用下，過(guò)冷度會(huì)急劇增大，自由能差也隨著變大，導(dǎo)致臨界晶核數(shù)量大大增加，因此界面處的碳化鉻顆粒數(shù)量明顯多于涂層的其他位置。由于C元素的含量是有限的，且邊界附近過(guò)冷度大，冷卻速度短，生成的碳化鉻顆粒沒(méi)有充分的時(shí)間生長(zhǎng)，因此界面處增強(qiáng)顆粒數(shù)量多且小，晶粒多為不規(guī)則狀。與邊界區(qū)域相比，涂層的中上部分，溫度較高，冷卻速率與過(guò)冷度較小，熔池中溫度下降的較慢，因此晶核數(shù)量相較于邊界處數(shù)量下降，碳化鉻晶粒減少，由于溫度下降較慢，碳化鉻晶粒有充分的時(shí)間生長(zhǎng)，因此相比邊界區(qū)域，涂層中上部碳化鉻晶體生長(zhǎng)充分，碳化鉻晶體形貌生長(zhǎng)較好多為四邊形、六邊形以及塊狀。

3.3 碳化鉻增強(qiáng)涂層顯微硬度分析

圖10為所示為涂層截面顯微硬度圖，曲線成階梯狀分布，分別對(duì)應(yīng)涂層的熔覆區(qū)、熱影響區(qū)及基體，分別選取7、3進(jìn)行硬度測(cè)量。由圖10可知，涂層硬度約為700 HV左右，熱影響區(qū)硬度約為450 HV，基體硬度約為240 HV，硬度逐級(jí)遞減，涂層硬度高是因?yàn)樵环磻?yīng)生成了碳化鉻增強(qiáng)顆粒，碳化鉻具有高硬度性能，且均勻細(xì)密地分布在涂層中，同時(shí)熔覆層的快速冷卻使涂層組織得到了進(jìn)一步細(xì)化，因此涂層硬度最高。熱影響區(qū)較基體硬度高是由于涂層中的高溫作用使粉末中的一些元素滲入到熱影響區(qū)中，得到進(jìn)一步提升，并且熱影響區(qū)受到激光的加熱又快速冷卻，得到了進(jìn)一步的強(qiáng)化，涂層的硬度約為基體的3倍左右。

圖10 復(fù)合涂層顯微硬度圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用第一性原理對(duì)Cr3C2/Ni界面進(jìn)行了搭建，解決了實(shí)驗(yàn)中界面制樣、測(cè)試和表征等問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算Cr3C2/Ni具有良好的界面特性且能夠穩(wěn)定存在，為Cr3C2晶體的生長(zhǎng)提供了生長(zhǎng)環(huán)境。

（2）原位生成制備的碳化鉻陶瓷具有2種不同生成物，生成相主要有四邊形狀、六邊形狀及不規(guī)則形狀，由仿真及實(shí)驗(yàn)分析得出四邊形狀為Cr3C2，六邊形狀為Cr7C3。

（3）通過(guò)對(duì)Cr3C2晶體的生長(zhǎng)機(jī)制分析發(fā)現(xiàn)，激光熔覆過(guò)程中過(guò)冷度、冷卻速率和碰撞對(duì)流現(xiàn)象等是影響碳化鉻顆粒呈現(xiàn)多種形貌的重要原因。