根據中國科學報，碳納米管（CNTs）是一種具有獨特管狀結構和優異力學、電學及化學性能的一維納米材料，是制備金屬基復合材料的理想增強體。近日，廣東省科學院智能制造研究所先進激光增材制造技術創新團隊在碳納米管增強激光熔覆高熵合金涂層技術研究方面取得新進展。相關研究發表于《表面和噴涂技術》。
本期谷.專欄將對這一研究成果的核心內容進行分享。
《表面與噴涂技術》
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論文深入研究了CoCrFeNi-CNTs涂層的顯微組織演變、耐磨性和強化機制。
▲論文 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0257897222001621?via%3Dihub
研究背景
根據中國科學報，目前，碳納米管增強金屬基復合材料仍主要采用冷壓燒結、攪拌鑄造、攪拌摩擦加工、粉末冶金、高壓扭轉、離子噴涂等技術制備。碳納米管的團聚問題始終是制約其工業應用的主要原因之一，而球磨和超聲分散方法均存在對工藝參數要求嚴苛、耗時耗能等問題。
研究人員針對CoCrFeNi-CNTs復合粉末制備、涂層微觀組織演變過程及摩擦磨損過程強化機理展開深入研究，利用自主開發的激光增減材系統成功制備出碳納米管增強的激光熔覆CoCrFeNi高熵合金復合涂層。
研究發現，通過優化機械混合粉末工藝實現碳納米管在粉末表面的彌散附著，碳納米管的結構完整性得到保持；激光照射能量使多壁碳納米管的外部碳層結構分解，碳原子固溶分布在涂層內，晶界形成層狀的(Cr, Fe)7C3-α共晶，固溶和析出強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科學谷了解到論文研究了碳納米管 (CNTs) 增強的激光熔覆間隙 CoCrFeNi 高熵合金涂層的效果和特性。為了在熔覆前制備復合粉末，將碳納米管和預合金化 CoCrFeNi 粉末機械混合，無需球磨處理，結果是表面上的碳納米管的微觀結構得到了很好的保護，不會受到嚴重的破壞。
論文評估了碳納米管 (CNTs) 增強對制備的間隙的微觀結構和磨損行為的影響。結果表明，在CoCrFeNi-CNTs包覆層中發現晶間(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。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化和(Fe,Cr)7C3碳化物在晶界上的析出強化。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構，防止了CoCrFeNi-CNTs涂層的嚴重磨損。
該研究解決了傳統的fcc單相CoCrFeNi系列高熵合金耐腐蝕性優異但硬度和耐磨性能不夠理想的問題，促進該系列合金的工業應用。
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