根據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)，碳納米管（CNTs）是一種具有獨(dú)特管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)及化學(xué)性能的一維納米材料，是制備金屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。近日，廣東省科學(xué)院智能制造研究所先進(jìn)激光增材制造技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在碳納米管增強(qiáng)激光熔覆高熵合金涂層技術(shù)研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究發(fā)表于《表面和噴涂技術(shù)》。

本期谷.專欄將對(duì)這一研究成果的核心內(nèi)容進(jìn)行分享。

《表面與噴涂技術(shù)》

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論文深入研究了CoCrFeNi-CNTs涂層的顯微組織演變、耐磨性和強(qiáng)化機(jī)制。

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

研究背景

根據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)，目前，碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料仍主要采用冷壓燒結(jié)、攪拌鑄造、攪拌摩擦加工、粉末冶金、高壓扭轉(zhuǎn)、離子噴涂等技術(shù)制備。碳納米管的團(tuán)聚問題始終是制約其工業(yè)應(yīng)用的主要原因之一，而球磨和超聲分散方法均存在對(duì)工藝參數(shù)要求嚴(yán)苛、耗時(shí)耗能等問題。

研究人員針對(duì)CoCrFeNi-CNTs復(fù)合粉末制備、涂層微觀組織演變過程及摩擦磨損過程強(qiáng)化機(jī)理展開深入研究，利用自主開發(fā)的激光增減材系統(tǒng)成功制備出碳納米管增強(qiáng)的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金復(fù)合涂層。

研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化機(jī)械混合粉末工藝實(shí)現(xiàn)碳納米管在粉末表面的彌散附著，碳納米管的結(jié)構(gòu)完整性得到保持；激光照射能量使多壁碳納米管的外部碳層結(jié)構(gòu)分解，碳原子固溶分布在涂層內(nèi)，晶界形成層狀的(Cr, Fe)7C3-α共晶，固溶和析出強(qiáng)化作用使涂層的硬度水平提高40%以上；涂層摩擦磨損過程中，晶間碳化物共晶逐漸在磨損表面沉積而形成致密的碳化物硬化層，提高涂層的耐磨損性能，磨損速率下降近80%。

3D科學(xué)谷了解到論文研究了碳納米管 (CNTs) 增強(qiáng)的激光熔覆間隙 CoCrFeNi 高熵合金涂層的效果和特性。為了在熔覆前制備復(fù)合粉末，將碳納米管和預(yù)合金化 CoCrFeNi 粉末機(jī)械混合，無(wú)需球磨處理，結(jié)果是表面上的碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)得到了很好的保護(hù)，不會(huì)受到嚴(yán)重的破壞。

論文評(píng)估了碳納米管 (CNTs) 增強(qiáng)對(duì)制備的間隙的微觀結(jié)構(gòu)和磨損行為的影響。結(jié)果表明，在CoCrFeNi-CNTs包覆層中發(fā)現(xiàn)晶間(Fe,Cr)7C3/α共晶物充分析出。與 CoCrFeNi 涂層相比，CoCrFeNi-CNTs 涂層的硬度提高了 42.2%。耐磨性與硬度呈正相關(guān)。CoCrFeNi-CNTs涂層的磨損率（2.18 × 10-5 mm3·N-1·m-1）明顯低于CoCrFeNi涂層（10.54 × 10-5 mm3·N-1·m-1）。

磨損性能的提高源于碳在晶粒上的固溶強(qiáng)化和(Fe,Cr)7C3碳化物在晶界上的析出強(qiáng)化。在磨損過程中，層狀（Fe，Cr）7C3/α共晶沉積在磨損表面，最終形成碳化物硬化層結(jié)構(gòu)，防止了CoCrFeNi-CNTs涂層的嚴(yán)重磨損。

該研究解決了傳統(tǒng)的fcc單相CoCrFeNi系列高熵合金耐腐蝕性優(yōu)異但硬度和耐磨性能不夠理想的問題，促進(jìn)該系列合金的工業(yè)應(yīng)用。