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        利用超聲波輔助激光熔覆技術在IN738超級合金上制備TiNiCrMoW–ZrB?高熵復合涂層:微觀結構、殘余應力及耐磨性研究

        《Materials Chemistry and Physics》:Ultrasonic-assisted laser cladding of TiNiCrMoW–ZrB 2 high-entropy composite coatings on IN738 superalloy: Microstructure, residual stress, and erosion resistance

        【字體: 時間:2026年03月01日 來源:Materials Chemistry and Physics 4.7

        編輯推薦:

          超聲輔助激光熔覆制備的TiNiCrMoW-ZrB2高熵合金涂層在IN738合金基體上表現出更優的微觀結構(BCC/B2相主導,晶粒細化)、壓縮殘余應力(-169 MPa)及抗侵蝕性(60°沖擊角下磨損疤痕較淺)。通過調節激光參數和超聲能量,有效抑制稀釋并優化ZrB2分散,驗證了超聲振動對熔池凝固行為及涂層性能的協同強化作用。

          
        Hassan Dargi|Reza Taghiabadi|Morteza Saghafi Yazdi|Morteza Taheri|R. Vaira Vignesh
        伊朗卡茲溫伊瑪目霍梅尼國際大學材料科學與冶金系

        摘要

        本研究探討了在IN738超級合金基底上采用超聲輔助激光熔覆TiNiCrMoW–ZrB2高熵復合涂層的方法,重點研究了聲能對微觀結構、殘余應力及抗侵蝕性能的影響。涂層采用脈沖Nd:YAG激光系統制備,并優化了工藝參數以減少稀釋和缺陷。XRD和EBSD分析表明,在超聲輔助下形成的微觀結構以BCC/B2相為主,γ-FCC相減少,同時晶粒更加均勻,ZrB2分散更加均勻。與未采用超聲輔助的樣品(硬度約為647 HV)相比,超聲輔助涂層具有更高的硬度(約為782 HV),這主要歸因于晶粒細化及固溶強化效應。殘余應力分析顯示,傳統涂層中的應力為拉伸應力(+96 MPa),而超聲輔助涂層中的應力為壓縮應力(-169 MPa),從而提高了抗裂性和機械穩定性。在25°C下進行不同沖擊角度(30–90°)的侵蝕測試發現,超聲輔助涂層的重量損失顯著減少,磨損痕跡也更淺,尤其是在60°這一關鍵角度下,犁切效應更為明顯。這些結果突顯了高熵合金化、ZrB2增強作用以及超聲振動在調控微觀結構和性能方面的協同效應,為開發下一代燃氣輪機防護涂層提供了有效策略。

        章節摘錄

        引言

        鎳基超級合金,尤其是Inconel 738(IN738),因其優異的高溫強度、抗蠕變性能和抗氧化穩定性而被廣泛應用于燃氣輪機的熱部件中[1]。然而,在高溫、氧化、熱腐蝕和嚴重磨損等苛刻使用條件下,這些合金的表面劣化不可避免,導致渦輪葉片性能下降和使用壽命縮短。為了解決這一問題

        材料與制備

        實驗選用了厚度為2 mm、尺寸為20×15 mm2的IN738超級合金試樣作為基底材料。IN738的化學成分見表1。熔覆前,基底先經過1200目SiC砂紙機械打磨,然后用乙醇進行超聲清洗以去除表面污染物。
        涂層材料為等原子比的高熵合金(Ti、Ni、Cr、Mo、W各占20原子%),并添加了5 wt.%的ZrB2顆粒作為增強相。

        熱力學相預測

        根據高熵合金(HEA)的形成理論,化學成分和加工溫度是決定最終相組成的關鍵因素。因此,激光熔覆(LC)過程中的參數顯著影響相變過程及固溶結構的穩定性。高熵合金的相形成預測可通過應用經驗性相形成規則來實現,這些規則主要基于關鍵的熱力學和原子參數。

        結論

        本研究通過脈沖Nd:YAG激光熔覆技術在IN738超級合金上成功制備了TiNiCrMoW–ZrB2高熵復合涂層,研究了有無超聲輔助對熔池凝固行為、微觀結構演變、殘余應力生成及抗侵蝕性能的影響。研究結果基于經典凝固理論、強化機制及侵蝕磨損模型進行總結。

        作者貢獻聲明

        R. Vaira Vignesh:數據可視化、軟件開發、資源管理、正式數據分析。Hassan Dargi:初稿撰寫、結果驗證、資源協調、數據管理。Morteza Saghafi Yazdi:實驗方法設計、正式數據分析、數據管理。Morteza Taheri:初稿撰寫、軟件應用、實驗設計、概念構建。Reza Taghiabadi:審稿與編輯、項目監督、項目管理。

        利益沖突聲明

        作者聲明不存在可能影響本文研究的已知財務利益或個人關系。

        數據獲取

        數據可應要求提供。

        利益沖突聲明

        作者聲明不存在可能影響本文研究的已知財務利益或個人關系。

        致謝

        作者聲明無需特別致謝。
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