減摩耐磨激光熔覆涂層的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

楊文斌 李仕宇 肖 乾 陳道云 王 溯 張 博

(華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能檢測與保障國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江西南昌 330013)

摩擦磨損是造成零部件材料表面損傷的最主要因素，很大程度制約了設(shè)備工作運(yùn)行的可靠性及安全性[1]。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，由磨損造成的材料浪費(fèi)非常巨大，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千億[2]。為了改善材料表面的摩擦學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者研究和發(fā)展了多種多樣的材料加工與表面改性技術(shù)，例如熱噴涂法[3]、電弧焊接[4]及物理氣相沉積[5]等技術(shù)。但這些技術(shù)普遍存在一些缺陷，比如與基體結(jié)合強(qiáng)度不夠、涂層表面質(zhì)量無法保證以及涂層會(huì)產(chǎn)生孔隙與裂紋等，從而影響了涂層的性能，進(jìn)而影響材料減摩耐磨特性，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用[6-7]。

20世紀(jì)70年代以前激光熔覆技術(shù)在表面工程領(lǐng)域上的應(yīng)用還較少[8-9]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，激光熔覆技術(shù)逐步成為材料表面改性的一種重要方法。與傳統(tǒng)涂層相比，激光熔覆涂層與基體呈良好的冶金結(jié)合，可顯著提高基體表面的硬度和耐磨性，同時(shí)保持基體的韌性和強(qiáng)度特性不變[10]，目前已廣泛應(yīng)于航空航天、軌道交通、石油、冶金、化工、機(jī)械、電力等領(lǐng)域[11]。

本文作者對激光熔覆技術(shù)在減摩耐磨領(lǐng)域的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并展望了激光熔覆技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

1 激光熔覆耐磨涂層

激光熔覆技術(shù)一般采用自熔性合金粉末材料(Fe、Co、Ni基等)和陶瓷材料對基體材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，以提高零件的表面硬度和耐磨性[12]。為了適用于特殊場合，學(xué)者們從多種角度(如工藝參數(shù)優(yōu)化、添加稀土元素等)開展激光熔覆減摩耐磨涂層的研究并取得一定進(jìn)展，已逐步在多領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

1.1 自熔性合金涂層

目前應(yīng)用的自熔性合金粉末材料主要為Ni基、Co基、Fe基、Cu基及其他有色金屬合金粉末材料體系[13]。其中Fe基、Co基和Ni基合金粉末材料最早被用于耐磨激光熔覆涂層的制備，其對改善基體材料的耐磨性具有顯著效果，已運(yùn)用到軸頸、導(dǎo)軌、閥門、柱塞等[14]，有效提高了零部件使用壽命。

1.1.1 Fe基自熔性合金涂層

Fe基自熔性合金粉末常被用于在低碳鋼、鑄鐵以及不銹鋼基體上制備激光熔覆涂層，其最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，且抗磨減摩性能好。目前，鐵基合金熔覆的合金化設(shè)計(jì)主要選用Fe、Cr、Ni、C、W、Mo、B等元素，一般情況下，為了提高表面涂層的硬度和耐磨性，在Fe基自熔性合金粉末的成分設(shè)計(jì)上添加了B、Si元素[15]。

樓程華等[16]采用同軸送粉方式在Cr12MoV基體表面上制備Fe基合金涂層，磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，涂層組織中形成了V4C、Cr23C6、Cr7C3等細(xì)小樹枝晶，其磨損量比基體降低了25%，即顯著提高了模具鋼材料的耐磨性。

馬斌斌等[17]選用Fe-Si-B粉末在45鋼基體表面進(jìn)行激光熔覆，研究了激光功率對熔覆層顯微組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)在激光功率為800 W時(shí)，涂層組織含有(Fe，Si)樹枝晶以及Fe2B與(Fe，Si)的片狀共晶，其硬度最高可達(dá)726HV(測試載荷5 N)，極大提升了表面力學(xué)性能，表現(xiàn)出良好耐磨效果。

眾所周知，由于列車在高速重載的惡劣環(huán)境下運(yùn)行，輪軌會(huì)遭到各種損傷，而輪軌的維護(hù)與更新不僅造成材料的浪費(fèi)，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對輪軌進(jìn)行表面強(qiáng)化顯得極其重要。HE等[18]采用激光熔覆技術(shù)在高碳錳鋼軌(U71Mn)上制備了致密的Fe基復(fù)合涂層，與未經(jīng)過激光處理的U71Mn基體相比，激光熔覆層的顯微硬度提高了2倍，耐磨性提高了近8倍，可以明顯提升輪軌的磨損壽命。

1.1.2 Ni基自熔性合金涂層

Ni基合金粉末是目前使用最廣泛的熔覆材料，其具有良好的自熔性和韌性、較高的耐腐蝕性和抗氧化能力等，可適用于基體的局部修復(fù)。為了進(jìn)一步提高涂層的耐磨性，在Ni基粉末成分設(shè)計(jì)時(shí)，通常添加C元素以獲得碳化物強(qiáng)化相，同時(shí)引入具有脫氧劑和自熔劑功能的Si、B元素，通過固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化來提高涂層的硬度和耐磨性[19]。

楊曉紅等[20]采用45鋼作為基體材料，使用激光熔覆技術(shù)制備了Ni35合金涂層，發(fā)現(xiàn)熔覆層表面硬度(約450HV，測試載荷2 N)與基體相比有明顯提高，且熔覆層的磨痕寬度明顯變窄，可見熔覆層能顯著提高基體材料耐磨性。

陳子豪等[21]在2Cr25Ni20耐熱奧氏體不銹鋼表面制備了激光熔覆NiCrFeMo高溫合金涂層，發(fā)現(xiàn)基材顯微硬度平均值為252HV(測試載荷3N)左右，熔覆層顯微硬度平均值為285HV(測試載荷3 N)左右，有效提升修復(fù)材料減摩耐磨性能。

GUO等[22]采用激光熔覆技術(shù)在Ti基板上制備了一種含HfB2的Ni基復(fù)合涂層，研究結(jié)果表明激光熔覆含HfB2復(fù)合涂層后，由于涂層中形成了硬質(zhì)相，使純Ti基體和NiCrBSi涂層的耐磨性大大提高。

1.1.3 Co基自熔性合金涂層

Co基合金粉末以Co為主要成分，其也包含了一定數(shù)量的Cr、Ni、W和少量C等元素；Cr可與C形成硬質(zhì)相碳化鉻，和B形成硼化鉻，具有抗高溫和耐蝕耐磨的特點(diǎn)[23]。因此Co基合金常被應(yīng)用于航空航天、冶金工程、石油化工、電力工程等工業(yè)領(lǐng)域的減摩耐磨環(huán)境[24]。

顏勝科等[25]以Co-Cr合金粉末在45鋼表面上進(jìn)行激光熔覆。研究結(jié)果表明，其涂層表面顯微組織細(xì)小，晶粒呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并排列致密。熔覆層硬度比基體高，熔覆層耐磨性高于基體。

GUO等[26]在車輪和鋼軌材料表面制備了Co基激光熔覆層。結(jié)果表明，未處理的鋼軌/車輪系統(tǒng)易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和表面接觸疲勞損傷；相比之下，Co基熔覆層有效降低了車輪和鋼軌材料的滾動(dòng)摩擦因數(shù)和磨損率，提高了車輪和鋼軌材料的耐磨性。

綜上所知，利用自熔性合金粉末制備激光熔覆涂層有效提高了金屬材料耐磨性能。但激光熔覆層存在氣孔、裂紋和成分偏析與組織不均勻性等問題[27]。自熔性涂層表面的氣孔、裂紋如圖1所示[28]，不同區(qū)域出現(xiàn)的成分偏析現(xiàn)象，熔覆層中不同區(qū)域的成分偏析如圖2所示[29]。這些不同缺陷必然導(dǎo)致性能存在差異，限制該技術(shù)在具有高可靠性及安全性要求的領(lǐng)域應(yīng)用。

圖1 激光熔覆涂層中氣孔和裂紋

圖2 熔覆層組織及成分偏析

1.2 金屬陶瓷復(fù)合涂層

激光熔覆陶瓷粉末近年來受到了人們的廣泛關(guān)注，很多學(xué)者將其用于增強(qiáng)材料表面的減摩耐磨性并做了大量研究。

金屬陶瓷復(fù)合粉末是采用不同的制備方法獲得的金屬或合金與非金屬陶瓷復(fù)合的粉末。金屬陶瓷粉末一般有碳化物粉末(碳化鎢、碳化鈦、碳化鉻)、氧化物粉末(Al2O3、TiO2、Cr2O3等)、氮化物粉末以及硼化物粉末等[30]，其大多具有高硬度、高熔點(diǎn)等特點(diǎn)，因此利用陶瓷相材料的高硬度、高熔點(diǎn)可以提高激光熔覆層在高溫下的耐磨損性能[31]。

一些國內(nèi)外學(xué)者在金屬粉末中添加單一陶瓷粉末，采用激光熔覆技術(shù)使得金屬基體與陶瓷粉末熔化并凝固結(jié)合，制備了具有良好耐磨性能的金屬陶瓷復(fù)合涂層。TECHEL等[32]選擇由WC和Ni或Co硬質(zhì)合金混合粉末，制備了硬質(zhì)合金激光熔覆層，結(jié)果表明，通過添加WC進(jìn)行強(qiáng)化的涂層具有最高的耐磨性，其磨損率明顯低于基體。TAZA等[33]使用光纖激光器在母材304SS表面熔覆二硫化鎢(WS2)涂層，研究了激光熔覆層的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，添加WS2粉末在304SS上熔覆形成的Cr-W-C-Fe金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能均得到了改善，涂層表面的顯微硬度顯著提高，與母材304SS相比，磨損減少了1/9。

由于激光熔覆單一陶瓷材料時(shí)，陶瓷材料與金屬基體存在差距較大的彈性模量和熱膨脹系數(shù)，造成較大的熱應(yīng)力，涂層易產(chǎn)生裂紋和空洞等缺陷[34]。因此，研究人員探討了復(fù)合陶瓷粉末在激光熔覆涂層制備中的應(yīng)用。侯曉云等[35]采用同步送粉激光熔覆技術(shù)，在Ti811表面制備了TC4+Ni45合金涂層，利用XRD和SEM觀察分析熔覆層組織和相組成。研究發(fā)現(xiàn)，與基體相比，熔覆層的顯微硬度明顯提高，磨損率也降低。觀察顯微組織，發(fā)現(xiàn)熔覆層表面主要由分布均勻的基底α-Ti、金屬間化合物Ti2Ni、增強(qiáng)相TiB2和TiC等硬質(zhì)相組成，有助于提高材料表面耐磨性。

ZANG等[36]采用激光熔覆在20Cr2Ni4A基體上沉積了NiCr-Cr3C2金屬陶瓷復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)在熔覆涂層中形成的Cr3C2和Cr7C3硬質(zhì)相，在中高溫工作環(huán)境下具備較低的摩擦因數(shù)和磨損率，耐磨性比基體有了明顯提高。

ZHAO等[37]在45鋼基板上激光熔覆了TiC、TiN和B4C的Ni204陶瓷復(fù)合涂層，所得熔覆層組織均勻致密，涂層的顯微硬度提高了2.6倍，而摩擦因數(shù)較基體降低了28%。這是由于TiC、TiN和Ti(C，B，N)陶瓷相周圍存在(Ti，Mo，Nb)(C，B，N))、碳化物、氮化物、(Ti，Mo，Nb)(C，B，N)和(Ti，Mo，Nb)(C，N)環(huán)相。涂層中均勻分布的增強(qiáng)相抑制了研磨球?qū)μ沾赏繉颖砻娴臄D壓，改變了原有的磨料磨損機(jī)制，使磨損痕跡更淺，使表面摩擦因數(shù)降低。

綜上所述，金屬陶瓷復(fù)合涂層有利于材料獲得較高的力學(xué)性能，起到有效的減摩耐磨作用。然而，金屬陶瓷復(fù)合涂層的制備工藝參數(shù)、陶瓷粉末的選擇及配比等，都對涂層性能有較大的影響。周丹等人[38]制備了Fe基合金粉末與不同比例的TiC陶瓷粉末混合的金屬復(fù)合涂層，并分析了TiC含量對涂層顯微組織的影響。圖3所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiC的激光熔覆層表面滲透探傷形貌。當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)，熔覆層起收弧處存在數(shù)條裂紋；當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，表面可見數(shù)條橫向裂紋，但并未貫穿整個(gè)熔覆層；當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，橫向裂紋數(shù)量明顯增多，貫穿熔覆層，且收弧端存在縱向裂紋；當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，熔覆層表面則出現(xiàn)較明顯的網(wǎng)格狀裂紋，開裂傾向較大。李洪波等[39]在H13基體表面制備了不同配比的H13和NiCr-Cr3C2復(fù)合粉末熔覆層，并分析了NiCr-Cr3C2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂層顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)不同NiCr-Cr3C2含量的涂層存在不同程度的裂紋現(xiàn)象，如圖4所示，為此提出通過陶瓷粉末配比來改善這種裂紋的方法。因此金屬陶瓷復(fù)合粉末應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)、陶瓷粉末的選擇及配比，從而制備出質(zhì)量優(yōu)異的金屬陶瓷復(fù)合涂層，推動(dòng)金屬陶瓷復(fù)合涂層的廣泛應(yīng)用[40]。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiC的激光熔覆層的表面形貌[38]

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NiCr-Cr3C2的H13/NiCr-Cr3C2熔覆層的表面微觀形貌

1.3 稀土添加復(fù)合層

研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%以下的稀土元素及其氧化物就能有效改善激光熔覆層的組織結(jié)構(gòu)以及其性能[41]。目前研究較多的是Ce、Y、La等稀土元素以及它們的氧化物Y2O3[42]、CeO2[43]、La2O3[44]等。在熔覆層凝固過程中，稀土元素容易與其他化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)生成以其結(jié)晶為核心的新物質(zhì)，增加形核率，并吸附在晶界組織顆粒中逐漸變大，從而細(xì)化樹枝晶組織。此外，易分布于晶界的稀土元素具有較強(qiáng)內(nèi)吸附力，既可以強(qiáng)化晶界又能凈化晶界，對耐磨性、耐腐蝕性以及抗氧化性起到增強(qiáng)作用[45-46]。同時(shí)稀土粉末生成硬質(zhì)相顆粒并均勻分布于涂層內(nèi)使涂層摩擦學(xué)性能得以改善。

早在1990年，尚麗娟和朱荊璞[47]在激光熔覆鈷基合金的過程中，通過添加稀土元素Ce提高了熔覆層耐磨性。而近年張堅(jiān)等人[48]做了類似的研究，在45鋼板表面激光熔覆高硼鐵基合金涂層，并加入稀土Ce，發(fā)現(xiàn)經(jīng)稀土Ce改性后，初生奧氏體晶粒尺寸減小，晶間網(wǎng)格狀硼化物形態(tài)得到改善，呈現(xiàn)斷網(wǎng)或顆粒狀，耐磨性隨之增強(qiáng)。

添加稀土元素氧化物同樣可以起到改善熔覆層質(zhì)量的效果。ZHANG等[49]采用Ti、Al、Si、TiC和Y2O3混合粉末在TC4合金上制備TiC增強(qiáng)復(fù)合涂層。結(jié)果表明：Y2O3對熔池中晶體類型的影響很小，但可細(xì)化TiC晶粒；由于細(xì)晶強(qiáng)化和分散硬化，復(fù)合涂層硬度提高5～6倍，耐磨性提高4.5～5.8倍。

CHEN等[50]研究了CeO2含量對TiC涂層的相組成、微觀結(jié)構(gòu)和耐磨性的影響。結(jié)果表明：CeO2含量增加，枝晶和粒狀晶粒尺寸變小，分布逐漸均勻致密，有效改善了TiC涂層的顯微硬度和耐磨性；當(dāng)添加過量的CeO2時(shí)，CeO2可能會(huì)因Ti陶瓷顆粒的燃燒而損失，并抑制第二相TiC的沉淀，從而導(dǎo)致涂層的顯微硬度降低。

劉佳等人[51]研究了添加不同含量稀土氧化物Y2O3對Ni基WC熔覆層表面摩擦性能影響，如圖5所示。結(jié)果表明：未添加Y2O3的熔覆層磨損后的首道與其他道次的高度差較大(見圖5(a))；添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%Y2O3的熔覆層缺陷最少，耐磨性能最好(見圖5(c))；而過量的Y2O3會(huì)與雜質(zhì)元素形成大量難熔化合物，不易從熔池中浮出，從而使熔覆層出現(xiàn)裂紋缺陷(見圖5(d))。

圖5 不同Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)熔覆層的磨損形貌

因此激光熔覆稀土添加量粉末體系不完善，應(yīng)制定出標(biāo)準(zhǔn)的粉末成分表，避免由于粉末成分不同導(dǎo)致熔覆層實(shí)際應(yīng)力改變而產(chǎn)生裂紋[52]。

1.4 工藝條件

由于激光熔覆過程具有快速熔化快速凝固的特點(diǎn)，如果工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不合理易使得熔覆層出現(xiàn)結(jié)合強(qiáng)度低、出現(xiàn)氣孔、開裂等問題，因此熔覆過程中的工藝參數(shù)直接影響涂層的品質(zhì)，需要合理優(yōu)化工藝參數(shù)才能獲得性能良好的涂層[53-54]。趙明娟等[55]研究了不同送粉速度對CNTs-SiC/Ni激光熔覆復(fù)合涂層組織與性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著送粉速度的增加，熔覆層晶體組織尺寸先減小再增大，涂層的硬度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，磨損量先緩慢減小后迅速增大，說明送粉速度明顯影響涂層的減摩耐磨性能。姚宏凱等[56]采用激光熔覆在5CrNiMo模具鋼上制備了Ni60合金涂層，研究了不同激光掃描速率對復(fù)合涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，熔覆層主要由CrB2、Cr2B3、Cr7C3及基底γ-Ni相組成。隨著掃描速率提高，涂層的顯微硬度逐漸增加，組織由柱(條)狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，并均勻細(xì)化。表面摩擦因數(shù)也隨著掃描速率增加逐漸減小，在掃描速率為10 mm/s時(shí)，熔覆層摩擦因數(shù)最低，僅為0.18，掃描速率可改善涂層的耐磨損性能。以上研究說明，通過優(yōu)化激光熔覆過程的工藝參數(shù)可以改善涂層性能，但單純優(yōu)化參數(shù)制得的涂層很難滿足苛刻工況條件。

為了進(jìn)一步提高熔覆層質(zhì)量，采用超聲振動(dòng)、電磁等多場輔助的方式成為激光熔覆研究工藝的新方向[57]。在熔覆過程中引入超聲、電磁振動(dòng)等外部能量場可加強(qiáng)對熔池的攪拌作用，縮短凝固時(shí)間，使晶粒沒有足夠的時(shí)間長大，起到細(xì)化晶粒的作用[58]。沈言錦等[59]在不同功率的超聲能量場輔助下在Q235表面制備了致密的復(fù)合涂層，研究了超聲波功率對熔覆層組織和性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，涂層硬度和耐磨性隨著超聲波功率增加而先增加后減少，其硬度和耐磨性在超聲功率為1 kW時(shí)為最大值，與基體相比，耐磨性能提高了近50倍。

劉洪喜等[60]采用磁場輔助在Q235鋼表面制備了Ni60CuMoW復(fù)合涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁場輔助作用下，激光熔覆涂層的晶粒細(xì)化且均勻致密，其平均顯微硬度達(dá)到913HV(測試載荷5 N)，為無磁輔助涂層的1.5倍，耐磨性能得到了明顯改善。

綜上所知，工藝條件(熔覆參數(shù)、外部能場)對激光熔覆層的質(zhì)量影響明顯。同樣，徐家樂[61]提出了電磁/超聲復(fù)合能場輔助激光熔覆涂層制備新工藝，并分析了制備的熔覆層的耐磨性能，如圖6所示。結(jié)果表明：在無能場輔助制備的涂層磨痕中出現(xiàn)了嚴(yán)重剝層和大塊磨削現(xiàn)象，如圖6(a)所示；引入單一超聲場和電磁場后涂層表面磨粒磨損變得輕微，嚴(yán)重剝離現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp，如圖6(b)、(c)所示；而復(fù)合能場作用下的涂層磨損后表面溝槽寬度和深度相較于單一能場進(jìn)一步變窄變淺，只出現(xiàn)局部輕微塑性變形，如圖6(d)所示。

圖6 能場輔助熔覆鈷基涂層磨損形貌[61]

圖7所示能場輔助熔覆鈷基涂層的摩擦因數(shù)可知，復(fù)合能場作用下的涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的減摩效果。因此在優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取合適的一種或多種外部能量場，形成激光熔覆和外部能場組成的復(fù)合工藝，有望成為制備滿足苛刻工況條件的性能優(yōu)異的激光熔覆層可行方法。

圖7 能場輔助熔覆鈷基涂層摩擦因數(shù)[61]

2 新型耐磨性涂層

目前使用傳統(tǒng)的自熔性合金粉末和陶瓷材料制備的激光熔覆涂層可以滿足機(jī)械構(gòu)件在普通工況下的表面減摩耐磨需求，但卻難以勝任高溫、高壓、腐蝕等嚴(yán)苛工作環(huán)境下的表面減摩耐磨需要，于是新型高性能耐磨涂層材料技術(shù)成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。

2.1 自潤滑耐磨復(fù)合涂層

激光熔覆自潤滑耐磨涂層是在激光熔覆過程中添加固體潤滑劑而形成的具有自潤滑性能的耐磨涂層，具有良好的發(fā)展前景[62]。探求新型潤滑材料、新配方，方可從根源上減少熔覆缺陷，提升自潤滑涂層耐磨性能[63]。楊宇璇[64]研制了一種新型固體潤滑耐磨涂層，以解決在嚴(yán)苛工況下，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵側(cè)板、軸承等部件壽命短的問題。此外，新型固體潤滑材料也已成功地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)以及重型和先進(jìn)熱機(jī)部件。新型自潤滑耐磨復(fù)合材料具有良好的綜合性能，成為研究的熱點(diǎn)[65]。

YAN等[66]利用激光熔覆技術(shù)在連續(xù)鑄造模具Cr-Zr-Cu合金上成功制備了Co+TiC+CaF2自潤滑復(fù)合涂層，該涂層的平均硬度約為Co基合金涂層的兩倍，同時(shí)表現(xiàn)出良好的減摩和抗磨的能力。王華明等[67]采用激光熔覆技術(shù)制備出了以氧化物陶瓷Al2O3為基體、以CaF2為高溫自潤滑相的陶瓷基高溫自潤滑耐磨復(fù)合涂層，在干燥滑動(dòng)摩擦條件下，Al2O3/CaF2陶瓷基高溫自潤滑耐磨復(fù)合涂層既有Al2O3陶瓷優(yōu)異的高溫耐磨性和抗氧化性能，同時(shí)也具備了CaF2優(yōu)異的高溫自潤滑性能，同基體相比，其摩擦因數(shù)明顯降低，耐磨性大幅度提高。

張津超[68]考慮到核電汽輪組中再熱雙閥組的閥桿長期運(yùn)作于高溫高壓的無潤滑環(huán)境，通過激光熔覆技術(shù)在不銹鋼閥桿表面制備了Ni60+CaF2+MoS2自潤滑復(fù)合熔覆層。該自潤滑耐磨涂層組織較均勻致密，存在FeMo2S4、CaMoO4、CaF2等潤滑相，相比于不銹鋼基體，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和磨損量顯著降低，起到了有效的減摩耐磨作用。

綜上可知，采用激光熔覆技術(shù)制備的新型自潤滑耐磨涂層，具有良好的減摩耐磨效果，起到保護(hù)材料表面的作用[69]?？梢?，激光熔覆技術(shù)制備自潤滑耐磨涂層將是未來研究發(fā)展方向之一。

2.2 高熵合金耐磨涂層

高熵合金(HEAs)通常包含5種及5種以上的主元素，逐步成為目前制備新型合金粉末領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一[70-72]。不同元素顯現(xiàn)出不同的性質(zhì)，將原子半徑較大的元素(Al、Ti、Mo等)添加入合金粉末可以形成穩(wěn)定的體心立方(BCC)固溶體；將Cu、Co、Ni等元素添加入合金粉末有利于形成面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)固溶體[73]。同時(shí)HEAs具有優(yōu)異的綜合性能，如高強(qiáng)度和硬度、良好的耐磨性和耐腐蝕性[74]。

LI等[75]在TC4基體上利用激光熔覆技術(shù)制備不同Ti含量的CoCrFeNi2V0.5Tix高熵合金涂層，實(shí)驗(yàn)表明，涂層由BBC固溶體、CoTi2相、NiTi2相和富鈦相組成，其硬度高達(dá)960HV(測試載荷2 N)，耐磨性和硬度相比基體顯著提高。徐猛[76]研究了激光熔覆CoCrFeMoNi高熵合金涂層的耐磨性能，發(fā)現(xiàn)在60、80、100 N載荷下，熔覆態(tài)高硬度高熵合金涂層的耐磨性能均優(yōu)于基體H13鋼，且摩擦因數(shù)降低了20%。此外，非晶相的存在可更大程度提高涂層的硬度和高溫耐磨性[77]。SHU等[78]研究了CoCrBFeNiSi高熵合金非晶涂層的顯微組織與高溫磨損行為，圖8示出了CoCrBFeNiSi高熵合金非晶涂層的高溫磨損行為的測試結(jié)果。結(jié)果表明，該涂層以非晶層為表層，結(jié)晶層為底層，其中表面上含85.1%的非晶相；在高溫下該涂層表層的磨損機(jī)制以磨粒磨損和氧化磨損為主，由圖8(a)、(c)和(d)可知，表層的磨損表面相當(dāng)光滑，有輕微的犁溝；相反，該涂層底層有大量的氧化物，且有深耕槽；圖8(b)可知，較比底層，表層的磨損量也降低至10%，顯著提高了耐磨性能。

圖8 CoCrBFeNiSi高熵合金非晶涂層高溫磨損行為

學(xué)者們采用激光熔覆技術(shù)在各種功能基體上制備了高熵合金涂層來改善材料的表面性能。但由于金屬元素組成廣泛性和不同元素含量的影響不同，由此成分設(shè)計(jì)是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)；此外，對于高熵合金自潤滑體系的研究也較少，可以通過借鑒新型固體潤滑劑，以擴(kuò)展高熵合金涂層在多元場景下的應(yīng)用。

2.3 梯度耐磨涂層

梯度功能材料(FGM)是新型的功能性復(fù)合材料[79]，采用兩種或兩種以上的成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化形成的多層材料。FGM可提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，滿足構(gòu)件的整體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[80]，以適應(yīng)現(xiàn)代航空航天工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域的需要，進(jìn)而滿足現(xiàn)在及未來高性能產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)需求。

趙健等人[81]采用激光熔覆在銅合金表面制備Cr3C2/Co涂層及Ni/Cu-Cr3C2/Co梯度涂層，對梯度涂層的顯微硬度和耐磨性進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)梯度涂層比Cr3C2/Co涂層和銅合金基體磨損量顯著降低，這是由于Cr3C2、M23C6及M7C3相的存在改善了銅基體與涂層的相容性，提高了顯微硬度和耐磨性能。陳歲元等[82]采用脈沖激光誘導(dǎo)原位反應(yīng)技術(shù)在Cr-Zr-Cu合金表面制備出具有3層梯度的Co基合金涂層。研究發(fā)現(xiàn)，梯度涂層耐磨性是基體的5.8倍，摩擦因數(shù)是銅合金基體的1/2，磨損率是基體的1/3，表面梯度涂層具有良好的減摩耐磨性能。

目前相關(guān)研究雖然取得了一些重要進(jìn)展，但制備梯度涂層的硬度和厚度尚待提高，特別是梯度成分設(shè)計(jì)與涂層組織結(jié)構(gòu)及其性能之間的相互關(guān)系還需要深入研究。

2.4 納米耐磨涂層

納米耐磨涂層作為表面工程領(lǐng)域一種新興的涂層技術(shù)，雖然起步較晚，發(fā)展卻十分迅速?；诩{米材料與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合制備的新型功能涂層材料，對于改善材料的強(qiáng)韌性、抗腐蝕性、耐磨性、抗熱疲勞性有著積極作用[83]。YU等[84]利用激光熔覆技術(shù)在Fe基粉末冶金材料表面制備一層含有納米Al2O3顆粒的厚硬化層，研究發(fā)現(xiàn)該材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，尤其是耐磨性。姚建華和張偉[85]采用激光熔覆技術(shù)在2Cr13不銹鋼表面上制備含納米WC粉末涂層，結(jié)果表明，基體表面形成了致密的復(fù)合涂層，納米WC的加入使涂層磨損率降低了60%，說明涂層的耐磨性得到了較大改善。

由于工作環(huán)境復(fù)雜性，要求材料有較高的綜合性能，單一材料已經(jīng)很難滿足需求，于是近年來發(fā)展了納米+自潤滑耐磨涂層和納米+梯度結(jié)構(gòu)耐磨熔覆層，大大提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)了涂層抗磨減摩效果。

WANG等[86]采用激光熔覆在Fe基體上分別制備了Ni60涂層和納米Ni60-WS2自潤滑復(fù)合涂層。研究發(fā)現(xiàn)，激光熔覆 Ni60-WS2(納米鎳封裝)涂層的摩擦因數(shù)降低至約0.36，且耐磨性能相比Ni60涂層提高了3倍，更好地改善了基體的抗磨減摩性能。張金升等[87]利用激光熔覆法在45鋼板上制備了納米Fe3Al/Al2O3梯度涂層，結(jié)果表明，納米梯度涂層磨損速率比基體顯著降低，其耐磨性能是基體的14倍多，可以極大地提升工程材料的可靠性和耐久性。

3 總結(jié)與展望

學(xué)者們雖然對激光熔覆涂層的減摩耐磨性能進(jìn)行了深入研究，但目前研究主要集中在內(nèi)在因素(設(shè)計(jì)涂層原料成分、加入稀土成分等)和外在因素(選擇和成分相匹配的工藝參數(shù)、超聲、電磁振動(dòng)等)兩方面來提高涂層的性能。但單一的材料已很難滿足各種復(fù)雜工況環(huán)境下的摩擦磨損性能要求，因此熔覆材料選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)以及工藝優(yōu)化將是未來研究的重要方向。同時(shí)，一些學(xué)者傾向于新型功能耐磨性涂層的研究，從自潤滑耐磨涂層到高熵合金耐磨涂層，從梯度耐磨涂層到納米耐磨涂層，從而不斷提升復(fù)合材料的減摩耐磨性能，以適用于各種復(fù)雜摩擦磨損工況場合下。因此，針對激光熔覆涂層耐磨性能的研究，可以進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計(jì)新型固體自潤滑材料，研究高熵合金自潤滑體系，合理配制多種復(fù)合材料，滿足材料多元需求。也可研發(fā)納米化的潤滑劑和梯度自潤滑材料，將激光熔覆技術(shù)、納米技術(shù)、超聲、電磁方式與自潤滑劑和梯度配制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的統(tǒng)一。