中圖分類號(hào)：TH117.1 DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.004

0 引言

304不銹鋼因具有加工成型容易、強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航天航空、醫(yī)療器械、車輛船舶等現(xiàn)代化工業(yè)中應(yīng)用廣泛；然而其硬度低，高溫下耐磨損性能和熱循環(huán)耐久性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致304不銹鋼的使用壽命較短，每年會(huì)造成大量經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)?dǎo)致安全事故[1-4]。目前，用表面改性技術(shù)來改善材料性能是最直接有效的方法[5-6]。激光熔覆技術(shù)因具有高能激光束，熔覆精度和效率高，熱影響區(qū)小，制備的涂層組織質(zhì)量?jī)?yōu)異，與基底結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為應(yīng)用最廣泛的表面改性技術(shù)之一[7-8]。因此，可以采用激光熔覆技術(shù)來改善304不銹鋼的摩擦學(xué)性能，提高其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和安全性。ZHANG等9通過激光熔覆技術(shù)在304不銹鋼表面制備了純Co涂層，研究發(fā)現(xiàn)，涂層的主要物相為 γ -Co固溶體，涂層顯微硬度為287HV 高于304不銹鋼，并且涂層改善了304不銹鋼的高溫摩擦學(xué)性能，但是在 600^°C 時(shí)，涂層的磨損率較大，達(dá)到了 3.8×10^-4mm³/（N?m） 。

Co合金具有諸多優(yōu)異性能，如強(qiáng)度高、硬度高、耐蝕性和耐磨性良好、在較高溫下仍然可以保持良好的性能[，因此得到了廣泛應(yīng)用，特別是在各種惡劣工況，如高溫、高載下。日益發(fā)展的現(xiàn)代化工業(yè)，對(duì)材料性能的要求變得更加嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的單一Co合金在某些情況下可能無法滿足零部件的使用要求[1]。目前在Co合金中添加強(qiáng)化相，如陶瓷顆粒、合金元素、固體潤(rùn)滑劑等來改善Co合金的性能已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[12]2735[13]100-10[14]。CHA00ING等[12]127335進(jìn)行了激光熔覆WC-Co復(fù)合涂層提高鈦合金耐磨性的研究，發(fā)現(xiàn)在良好的金相結(jié)合和顯微組織的協(xié)同作用下，熔覆層顯微硬度達(dá)到了基底的4.8倍，并且WC顆粒的細(xì)化和均勻分布起到了堅(jiān)硬的支撐框架作用，可以有效地抑制位錯(cuò)滑移，使涂層的耐磨性能得到了改善。易偉等[13]100-104研究了添加NbC對(duì)激光熔覆Co基熔覆層磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)添加NbC可以提高熔覆層的硬度，同時(shí)高硬度的NbC顆粒在磨損過程中可以抑制塑性變形并防止涂層進(jìn)一步磨損，使復(fù)合涂層耐磨性得到了很大提升。

NiCrAIY是一種具有良好的高溫抗氧化性和力學(xué)性能的合金[15-16]，在高溫下涂層會(huì)形成致密的富α_α-Al20₃ 氧化層，通過抑制氧氣擴(kuò)散，防止涂層高溫合金的快速降解[17]。葉宏等[18]研究了等離子噴涂NiCrAlY+Al₂O₃ 復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn) Al₂O₃ 顆粒與基底的結(jié)合強(qiáng)度較低，導(dǎo)致添加了 Al₂O₃ 的復(fù)合涂層硬度的變化較小，雖然降低了復(fù)合涂層在常溫下的磨損率，但在 400～700^°C 時(shí)對(duì)磨損率的影響幾乎沒有。目前將NiCrAIY作為添加相去增強(qiáng)涂層的研究很少，尤其是缺乏NiCrAIY對(duì)Co涂層組織及性能影響的研究，因此研究將NiCrAIY作為添加相對(duì)Co涂層性能的影響具有重要意義。

本研究采用激光熔覆的方法，在304不銹鋼表面熔覆NiCrAIY/Co涂層，以改善304不銹鋼的高溫摩擦學(xué)性能。分析了NiCrAIY/Co涂層截面形貌、物相組成、力學(xué)性能，系統(tǒng)測(cè)試了涂層與304不銹鋼的高溫摩擦學(xué)性能，并詳細(xì)闡釋了磨損機(jī)制。旨在為改善304不銹鋼的高溫摩擦學(xué)性能提供參考。

1試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

試驗(yàn)選用304不銹鋼作為熔覆基底材料，試樣尺寸為 32mm×32mm×5mm 。在熔覆之前，先將基底用砂紙打磨拋光，然后用丙酮清洗。選擇純度為 99.9% 的Co粉（150～300目）和NiCrA1Y粉（150～300目）作為熔覆材料，NiCrAIY粉末的化學(xué)成分見表1。NiCrAIY/Co粉末的配比為 25：75 。用V型混合機(jī)將2種金屬粉末混合均勻（轉(zhuǎn)速 20r/min 、時(shí)間 2h ），熔覆前在 100°C 的干燥箱中將混合粉末烘干 15min 。

表1NiCrAIY合金粉末的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of NiCrAlY alloypowder

試驗(yàn)采用二氧化碳激光熔覆系統(tǒng)（陜西中美激光科技有限公司）在304不銹鋼表面熔覆NiCrAIY/Co涂層，采用同步送粉方式。熔覆工藝如下：激光功率為1100W ，搭接率為 55% ，送粉率為 9.2g/min ，掃描速度為 1000mm/min ，光斑直徑為 2mm ，保護(hù)氣體為 Ar 氣。

將激光熔覆后的試樣沿垂直于激光掃描速度方向切割，將試樣的截面用砂紙（80目，600目，1500目）打磨拋光，用王水腐蝕，制備出試樣。

1. 2 試驗(yàn)方法

采用X射線衍射儀對(duì)NiCrAIY/Co涂層的物相組成進(jìn)行分析，儀器掃描范圍為 20^°～100^° ，描速度為4（^°）/min ，采用 Cu-K_α 靶，電壓為 40kV ，電流為 30mA 利用掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）及配備的能譜分析儀（EnergyDispersiveSpectroscopy，EDS）分析了涂層和磨損表面的形貌及元素含量；采用HVS-1000Z型維氏硬度計(jì)，負(fù)載為 5N 、保載時(shí)間為 10s ，從涂層頂部垂直向下測(cè)試直至基底，每隔 0.1mm 測(cè)量一個(gè)點(diǎn)位，多次測(cè)量，取測(cè)量值的平均值作為涂層顯微硬度。

采用球-盤式高溫摩擦磨損儀（HT-1000）測(cè)試304不銹鋼與涂層的高溫摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)條件：室溫為-800^°C 、負(fù)載為 10N 、速度為 0.2m/s 、摩擦副為 Si₃N₄ 陶瓷球（直徑為 6mm ）、試驗(yàn)時(shí)間為 20min 。在試驗(yàn)前，用砂紙打磨涂層。摩擦因數(shù)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄，采用Links-2007型表面輪廓儀測(cè)量磨損體積 （V） 。通過磨損體積（V除以負(fù)載 （F） 和滑動(dòng)距離 （L） 得出磨損率。每個(gè)試樣測(cè)量5個(gè)不同位置，取測(cè)量值的平均值作為磨損率的值。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層物相組成

圖1所示為NiCrAIY/Co涂層的X射線衍射（X-rayDiffraction，XRD）圖譜。由圖1可知，涂層主要由γ -Co、（Cr，Ni）、 AlNi₃ 相組成。由于Y元素含量較少，涂層中未檢測(cè)到Y(jié)元素相關(guān)的衍射峰。 γ -Co穩(wěn)定存在于 417°C 之上，常溫下的Co固溶體是面心立方體結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧す馊鄹材汤鋮s速度較快，高溫下涂層中的 γ -Co來不及發(fā)生相變，所以Co在涂層中以面心立方體結(jié)構(gòu)的 γ-Co 存在[19]。此外，Ni具有穩(wěn)定立方點(diǎn)陣的作用[20]，因此 γ -Co可以在涂層中穩(wěn)定存在。涂層中固溶相和金屬化合物相對(duì)涂層的硬度及摩擦學(xué)性能的提高有重要作用。

圖1涂層的XRD圖譜

Fig.1XRDpatterns ofthe laserclad coating

2.2涂層的截面形貌與元素分析

涂層的截面形貌如圖2所示，涂層厚度大約為1.1mm ；涂層組織均勻致密，未發(fā)現(xiàn)裂紋，涂層與基底冶金結(jié)合。因?yàn)榧す馊鄹材趟俣容^快，氣體來不及逸散出來，導(dǎo)致涂層中微小氣孔的產(chǎn)生[21]。

圖3為NiCrAIY/Co涂層截面的線掃描元素分布圖。由圖3可知，涂層中Co、Fe、Cr、Ni元素在界面處均有所擴(kuò)散，且存在著過渡段。Co元素和Ni元素在過渡到基底時(shí)含量降低，F(xiàn)e元素和Cr元素在過渡到基底時(shí)含量升高，并且圖3中的過渡段較短。這說明，NiCrAIY/Co涂層與304不銹鋼基底已經(jīng)完全熔合，并且涂層稀釋率較低[22]。

2.3 涂層顯微硬度

NiCrAIY/Co涂層沿橫截面方向的硬度分布如圖4所示。由圖4可知，基底平均顯微硬度為 194HV NiCrAIY/Co涂層的硬度在 290～309HV ，較基底硬度有了較大提高。涂層硬度提高是因?yàn)?γ-Co^[23] 和（Cr，Ni）相的固溶強(qiáng)化。此外，Y元素可以使晶粒細(xì)化24]，進(jìn)一步提高涂層硬度。另外，測(cè)得的涂層厚度與上述截面分析的厚度一致。

圖4涂層截面硬度分布

Fig.4Hardnessdistributionof the coatingcross section

2.4涂層的摩擦學(xué)性能

圖5顯示了304不銹鋼與NiCrAIY/Co涂層在不同溫度（室溫 800° ）下的平均摩擦因數(shù)。由圖5可知，在 200° 時(shí)304不銹鋼的摩擦因數(shù)達(dá)到最大值（0.78），原因是在 200^°C 時(shí)304不銹鋼表面與氮化硅陶瓷球的黏著現(xiàn)象嚴(yán)重，滑動(dòng)阻力增加[25]，致使摩擦因數(shù)升高；隨著溫度繼續(xù)升高；304不銹鋼逐漸軟化，滑動(dòng)阻力減小，因此摩擦因數(shù)在 200～800^°C 逐漸降低，并且在 800^°C 時(shí)達(dá)到最低（0.56）。由室溫升高至600^°C ，NiCrAIY/Co涂層的摩擦因數(shù)呈降低趨勢(shì)，并在600^°C 時(shí)為最低值（0.50），原因是隨溫度的升高涂層發(fā)生軟化，涂層與氮化硅陶瓷球的黏著減輕，并且在600^°C 時(shí)涂層產(chǎn)生了不連續(xù)的氧化膜，將涂層對(duì)磨球摩擦變?yōu)檠趸?duì)磨球摩擦，起到了很好的減摩作用，摩擦因數(shù)降低，但在 800^°C 時(shí)摩擦因數(shù)升高，原因是摩擦過程中形成了大面積的剝坑和碎屑，導(dǎo)致摩擦因數(shù)上升。對(duì)比NiCrAIY/Co涂層與304不銹鋼的摩擦因數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，室溫下，涂層摩擦因數(shù)比304不銹鋼高，在200～600^°C 時(shí)，涂層摩擦因數(shù)比304不銹鋼小得多，800°C 時(shí)摩擦因數(shù)相當(dāng)。這說明NiCrAIY/Co涂層起到了很好的減摩效果。

圖5室溫～800 C 下304不銹鋼與涂層的摩擦因數(shù) Fig.5Frictioncoefficientof304 stainlesssteel andcoatingfromthe roomtemperatureto 800%

圖6所示為304不銹鋼與NiCrAIY/Co涂層摩擦因數(shù)隨溫度變化的擬合曲線。可以看出304不銹鋼基底摩擦因數(shù)隨溫度變化的關(guān)系式為 y=Intercept+B₁X¹+ B₂X²+B₃X³+B₄X⁴（Intercept=0.75;B₁=4.75×10^-5;B₂= -2.04×10^-6 B₃=7.23×10^-10 B₄=8.68×10^-13 ）;NiCrAlY/Co涂層摩擦因數(shù)隨溫度變化的公式為 y= Intercept+B₁X¹+B₂X²+B₃X³+B₄X⁴（Intercept=0.84;B₁=-1.92×10^-3; B₂=5 45×10^-6 B₃=-8.20×10^-9 B₄=4.80×10^-12） 。

304不銹鋼與NiCrAIY/Co涂層的磨損率如圖7所示。由圖7可知，304不銹鋼磨損率在 200°C 時(shí)略微降低， 400～800^°C 時(shí)逐漸增大，原因是隨著溫度的升高，304不銹鋼逐漸軟化，力學(xué)性能下降，抵抗氮化硅陶瓷球入侵的能力下降，導(dǎo)致磨損率增高。涂層磨損率在室溫 ～400° 時(shí)呈降低趨勢(shì)，在 400°C 時(shí)達(dá)到最低［L ，是不銹鋼基底的1/3；在 600～ 800° 又呈上升趨勢(shì)并在 800° 時(shí)達(dá)到最大值[1. 07× 10^-4mm³/（N?m）] ，是304不銹鋼基底的2/5，在 600^°C 和800^°C 時(shí)涂層發(fā)生氧化，但是氧化速率小于磨損的去除效率，導(dǎo)致涂層磨損率上升[26]，這也與高溫下涂層軟化有關(guān)。NiCrAIY/Co涂層在室溫 ～800^°C 下磨損率較304不銹鋼基底明顯降低。這表明NiCrAIY/Co涂層具有優(yōu)異的高溫摩擦學(xué)性能。在304不銹鋼表面制備NiCrAIY/Co涂層，可以顯著改善304不銹鋼的高溫摩擦學(xué)性能。

圖6摩擦因數(shù)隨溫度變化的擬合曲線

圖7室溫～800℃下304不銹鋼與涂層的磨損率 Fig.7Wearrateof 3o4 stainlesssteel andcoatingfromroom temperatureto 800‰

圖8所示為304不銹鋼與NiCrAIY/Co涂層磨損率隨溫度變化的擬合曲線。由圖8可知，304不銹鋼基底磨損率隨溫度變化的關(guān)系式為 y=Intercept+B₁X¹+B₂X²+ B₃X³+B₄X⁴ （Intercept=6.02; B₁=3 50×10^-2 B₂=2 13× 10^{-4 -4};B₃=-4.69×10^-7 B₄=3 73×10^-10 ）；NiCrAIY/Co涂層磨損率隨溫度變化的關(guān)系式為 y=Intercept+B₁X¹+B₂X²+B₃X³+B₄X⁴ （Intercept=4.12;B=1. 50×10^-2 ： B₂=-1.43× 10-4;B=2. 88×10^-7 ;B4=-1. 50×10^-10 ）。

圖8磨損率隨溫度變化擬合曲線圖

2.5 磨損機(jī)制分析

圖9顯示了室溫下304不銹鋼和NiCrAIY/Co涂層的磨損表面形貌。304不銹鋼磨損表面存在黏著剪切層、磨屑和犁痕，表明304不銹鋼的磨損機(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損。在高硬度的氮化硅陶瓷球連續(xù)剪切應(yīng)力作用下，犁出碎屑顆粒，這些碎屑顆粒在摩擦過程中聚集形成磨粒，磨粒切削表面形成犁痕?？梢钥吹?，涂層磨損表面存在的磨屑和黏著剪切層減少，這表明涂層磨損程度降低。這是因?yàn)橥繉拥挠捕雀?，較高的硬度會(huì)在摩擦過程中抵抗 Si₃N₄ 陶瓷球的侵入，防止進(jìn)一步磨損。涂層的磨損機(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損。

圖10顯示了 400^°C 下304不銹鋼和NiCrAIY/Co涂層磨損后的表面形貌。304不銹鋼磨損表面覆蓋著大量的磨屑，剝落減少，伴隨著溫度的升高出現(xiàn)了輕微的塑性變形，磨損機(jī)制仍為磨粒磨損和黏著磨損?？梢钥闯?，NiCrAIY/Co涂層磨損表面較304不銹鋼磨損表面要平滑很多，磨損表面依然存在少量的分層、犁痕和剝落。涂層的磨損機(jī)制為磨粒磨損和輕微的黏著磨損，這與摩擦因數(shù)降低相對(duì)應(yīng)。

圖9室溫下測(cè)試樣品的磨損形貌

圖10 400Φ^°C 下測(cè)試樣品的磨損形貌

Fig.10Wearmorphologyof thesamplesat 400^°C

圖11顯示了 800^°C 下304不銹鋼和NiCrAIY/Co涂層磨損后的表面形貌。304不銹鋼磨損表面氧化膜發(fā)生了大面積的斷裂和脫落，塑性變形嚴(yán)重。這也是磨損率急劇上升的原因，表明304不銹鋼在 800^°C 時(shí)摩擦學(xué)性能驟減，磨損機(jī)制為氧化磨損和塑性變形。NiCrAIY/Co涂層磨損表面出現(xiàn)了剝坑、裂紋、明顯的塑性變形和平行的犁痕。出現(xiàn)剝坑的原因是對(duì)磨球與涂層磨損表面的黏附力較大，在交變應(yīng)力作用下，一部分氧化膜破裂，被帶離磨損表面，導(dǎo)致剝落凹坑的形成，并且可以看到剝坑里面存在大量的磨屑，剝坑和磨屑導(dǎo)致磨損加劇，與圖5中 800^°C 下NiCrAIY/Co涂層摩擦因數(shù)升高相對(duì)應(yīng)。結(jié)合磨損表面的EDS（圖12）和磨損表面的XRD（圖13）可以發(fā)現(xiàn)，0元素含量最高，說明磨損表面被氧化，且氧化膜由 Al₂O₃，Cr₂O₃，Co₃O₄，NiO 、NiCr₂0₄ 和 CoCr₂O₄ 等氧化物組成，但是由于氧化速率小于磨損去除速率，導(dǎo)致氧化膜不連續(xù)，這也與上述磨損率上升相對(duì)應(yīng)，涂層的磨損機(jī)制為氧化磨損。

圖11800℃下測(cè)試樣品的磨損形貌

Fig.11 Wearmorphologyof the sampleat 800^°C

3結(jié)論

通過以上分析，得出以下主要結(jié)論：

1）采用激光熔覆技術(shù)在304不銹鋼表面制備了高溫抗磨NiCrAIY/Co涂層，涂層厚度大約為 1.1mm ，由 γ -Co、（Cr，Ni）和 AlNi₃ 相組成，涂層硬度為 303HV 約為基底的1.6倍，涂層形貌良好，與基底呈良好的冶金結(jié)合。

圖12NiCrAIY/Co涂層 800^°C 下磨損表面能譜分析儀結(jié)果 Fig.12EDSanalysisresultsofNiCrAlY/Cocoatingwear surfaceat 800C

圖13 800^°C 時(shí)涂層磨損表面XRD圖譜

Fig.13XRD pattern of the coating wear surface at 800^°C

2）隨溫度升高，304不銹鋼基底摩擦因數(shù)先升高后降低，涂層摩擦因數(shù)先降低后升高；在 200～600^°C 時(shí)涂層摩擦因數(shù)更小， 800^°C 時(shí)摩擦因數(shù)相當(dāng)，并且涂層在 600^°C 時(shí)摩擦因數(shù)最低（0.5）；隨溫度升高，304不銹鋼基底與涂層磨損率先降低后升高，且室溫～800^°C 時(shí)涂層的磨損率更低，且涂層在 400^°C 時(shí)磨損率最低 ，約為基底的1/3，表明NiCrAIY/Co涂層顯著改善了304不銹鋼在室溫～800^°C 下的摩擦學(xué)性能。

3室溫 ～400^°C，304 不銹鋼的磨損機(jī)制是磨粒磨損和黏著磨損，涂層的磨損機(jī)制是磨粒磨損和逐漸減輕的黏著磨損；高溫下，304不銹鋼的磨損機(jī)制為氧化磨損和塑性變形，涂層的磨損機(jī)制為氧化磨損。

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Abstract：Inordertoimprovethehightemperaturewearresistanceandextenditsservicelifeof304stainlesstel，the hightemperature wear-resistant NiCrAlY/Cocoating was preparedonthesurfaceof304 stainlessteel bythe laserclading. The morphology，phasecomposition and microhardnessof the coating were analyzed.The tribological propertiesof 304 stainless steel and NiCrAlY/Co coating at different temperatures（the room temperature to 800^°C ）were studied，and the wear mechanism wasanalyzed.Theresultsshowthatthecoating ismetalurgicallybonded tothe304stainlesstelsubstrate;the coating is mainly composed of γ -Co，（Cr，Ni） and AlNi₃ phases;the average microhardness of the coating（ 303HV ）is about1.6 timesthatofthe substrate（ 194HV ）;Compared with the substrate，the coating hasa smaller frictioncoefficientat 200-600^°C the friction coefficient iscomparable at 800^°C ，and the lowest friction coefficient of the coating is 0.5at 600^°C .Thewear rateof thecoatingfrom the room temperature to 800^°C islower than thatofthe substrate，andthe lowestwearrateis 1.91× 10^-5mm³/（N?m） at 400^°C ，whichis about 1/3 of the substrate， indicating that the NiCrAlY/Co coating improves the high temperature wear resistance of304 stainless stel.At mediumand low temperatures，the wear mechanismof the substrate is mainlyabrasive wear and adhesive wear，and the wear mechanismof the NiCrAlY/Co coating is mainly abrasive wear and gradually slight adhesive wear. At 800^°C ，thewear mechanism of the substrate is plastic deformation，and the wear mechanism of the coating is oxidation wear.

Keywords：304 stainlesssteel; Laser cladding;NiCrAlY/Cocoating;High temperature tribological properties Corresponding author： CUI Gongjun， E-mail： cuigongjun@tyut.edu.cn Fund：National NaturalScienceFoundationof China（51775365，U1910212）; Fundamental Research Programof Shanxi Province（202303021211163）; Research Project of Shanxi Scholarship Council of China（2021-060） Received： 2023-12-05