为了提高石油钻杆材料42CrMo的硬度及耐磨性能, 通过激光熔覆技术制备不同质量分数(0, 0.10, 0.15, 0.20)Fe06+TiC/Mo复合涂层。采用显微硬度仪器、扫描电镜、摩擦磨损试验机进行了显微硬度、耐磨性能、物相组成、磨损行为分析和实验验证, 得到的熔覆层主要由α-Fe、Cr-Fe以及(Fe、Ni)固溶体等相组成。结果表明, Fe06+TiC复合涂层硬度平均约1180 HV0.2, Fe06+Mo复合涂层硬度平均约893 HV0.2; Fe06+TiC复合涂层的磨损量平均约2.97 mg, Fe06熔覆层磨损量为7.8 mg, Fe06+Mo复合涂层的磨损量平均约2.67 mg; Fe06+TiC/Mo复合涂层磨损机理以粘着磨损、磨粒磨损为主, Fe06+0.2TiC熔覆层硬度最高, Fe06+0.2Mo熔覆层耐磨性能最好。该研究为提高42CrMo材料硬度及耐磨性能提供了实践参考。

针对42CrMo钢易发生磨损失效的问题,采用激光熔覆混合粉末(Co基粉、Nb粉和Cr3C2粉)在42CrMo钢表面成功制备了原位NbC颗粒增强复合涂层,分析了NbC含量对复合涂层微观结构、磨损行为以及NbC形态的影响。结果表明:当NbC的质量分数为0~15%时,涂层与基材的结合性能良好,涂层中没有明显的缺陷;当NbC的质量分数为20%时,涂层中出现了微裂纹;复合涂层的基体主要由ε-Co和γ-Co组成,强化相主要包括NbC、Cr23C6和Cr7C3;NbC颗粒的形成是通过溶解在熔池中的Nb原子和C原子以原位反应形成的;随着NbC含量增加,NbC的形态逐渐从四边形变为花瓣形,复合涂层的显微硬度和耐磨性明显增加,磨损形式主要是磨粒磨损和硬质相剥落磨损;当NbC的质量分数为10%时,涂层的显微硬度和耐磨性最佳,显微硬度和磨损速率分别为546.4 HV和0.020 g/min。

在45钢表面制备了Fe901激光熔覆层,检测了熔覆层的组织、物相与硬度,采用干摩擦方式对激光熔覆层与45钢试样进行了摩擦磨损实验。结果表明:熔覆层组织均匀致密,组成相主要为马氏体和少量CrFeB、Cr7C3金属间化物;熔覆层的平均硬度为718 HV,显著高于基体的硬度(269 HV);45钢的磨损机制主要为磨粒磨损、疲劳剥落和氧化磨损,熔覆层的磨损机制主要为磨粒磨损;当加载载荷为10,20,30 N时,在干摩擦条件下,激光熔覆层的摩擦因数比45钢低,相对耐磨性分别为45钢的4、18、20倍,表明激光熔覆Fe901合金显著提高了45钢的耐磨性能。

以WC为强化相颗粒,在AISI H13热作模具钢表面制备了纯铁基合金熔覆层和WC质量分数为3%、6%、9%铁基合金熔覆层。在优化工艺参数的基础上,研究了熔覆层中的WC分布以及熔覆层的组织形貌、物相和磨损行为。结果表明:熔覆层与基体之间形成了良好的冶金结合,熔覆层组织主要由枝晶和共晶组成;加入WC颗粒后,其周围区域出现了组织细化现象;熔覆层因硬质相而获得了更高的硬度,且其耐磨损性能相比于基体有明显提升;当WC质量分数为3%、6%、9%时,熔覆层的硬度和耐磨性能比铁基熔覆层有较大提升;熔覆层的磨损机制主要为磨粒磨损,并伴有不同程度的黏着磨损;随着WC质量分数的增大,熔覆层的氧化磨损程度逐渐加深。

通过6 kW 横流CO₂激光器在40Cr钢表面激光熔覆了不同成分配比的WC/Co50复合涂层。运用金相光学显微镜(OM)，扫描电镜(SEM)，能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)等表征手段分析了涂层结合区形貌、显微组织和物相组成，测试了复合涂层的显微硬度和磨损性能。结果表明，外加的WC颗粒在高能激光束作用下大部分发生溶解，涂层主要由碳化物WC、W2C、(Cr，Fe)7C3和M6C及Fe-Cr固溶体等物相组成。涂层中组织结构比较复杂，出现了树枝状初晶、包状过共晶，枝晶间共晶和硬质相颗粒。WC/Co50 熔覆涂层的最大显微硬度位于涂层次表面，其最大平均显微硬度为基材的1.93倍，且随着深度的增加逐渐降低。相同磨损条件下，复合涂层的磨损失重仅为基材的13.3%。

以WC、TiC、Co 和Co50 合金粉末为原料，通过设计不同的成分配比，在40Cr 刀具钢表面激光熔覆了WC/Co、WC/Co50和WC-TiC/Co50钴基碳化物复合涂层。借助XRD、OM、SEM 和EDS等表征手段分析了粉末成分配比和激光熔覆工艺参数对刀具表面复合涂层物相结构、宏观形貌和微观组织的影响。结果表明，当激光功率为4.2 kW，扫描速度为350 mm/min 时，制备的WC/Co50 和WC-TiC/Co50 复合涂层表面形貌良好，平整连续且无宏观裂纹。硬度测试和摩擦磨损试验表明，复合涂层具有高的硬度和良好的耐磨性，最高显微硬度达到1211 HV_0.2，最低磨损失重2.1 mg，分别为基材的3.03 倍和34.4%。熔覆层中大量存在的WC、TiC 以及原位自生的W₂C、Fe₃W₃C 等碳化物增强相对提高复合涂层的硬度和耐磨性起到了主要作用。

为了拓展激光熔覆制备高熵合金涂层在材料表面改性中的应用, 本文利用激光熔覆的方法在45#钢基体上制备了成形质量良好的CrNiAlCoMoBx系高熵合金涂层, 并研究了激光熔覆工艺参数和B含量对涂层成形质量、微观组织结构和硬度的影响。结果表明: 在优化的工艺参数下, 可以得到表面形貌良好的CrNiAlCoMoBx系高熵合金涂层, 涂层与基体呈良好的冶金结合, 涂层由枝晶和网状共晶组织组成, 均匀致密, 最高硬度达到950 HV0.2, 平均硬度可达700 HV0.2, 是基体45#钢硬度的3倍。随着B含量的增加, 裂纹减少, 硬度有所降低, 但始终在600 HV0.2以上; 涂层的干摩擦磨损性能优于H13钢; 在3.5%NaCl电解液中耐腐蚀性良好, 与304不锈钢相当。

利用6 kW横流CO2激光器在H13钢基材表面原位合成了以TiC颗粒为增强相的复合熔覆层。借助X射线衍射(XRD)和能谱仪(EDS)分析了涂层的物相组成，结合光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察了涂层的微观组织，运用显微硬度仪和摩擦磨损试验机测试了涂层的硬度和摩擦磨损性能。结果表明，当预置层中Ti与Cr3C2物质的量比为2.441时，熔覆层的主要物相为碳化物TiC、Cr7C3和Fe-Cr固溶体。随着预置层中Ti含量的减少，即当预置层中Ti与Cr3C2物质的量比为21时，熔覆层中Cr7C3相增多，而当预置层中Ti与Cr3C2物质的量比为22.33时，熔覆层中则出现 (Cr,Fe)7C3相。SEM和EDS分析显示，TiC增强相随激光功率密度的增大由球状向薄层状转变。当预置层中Ti与Cr3C2物质的量比为22.33，激光功率密度为24.38 kW·cm-2时，涂层表面宏观质量良好，无气孔裂纹缺陷，涂层截面平均显微硬度达到931.9 HV0.2，约为基材的2.21倍，最低磨损失重仅为基材的27.2 %。

为了研究激光冲击对镁合金摩擦磨损性能的影响，采用Nd∶glass脉冲激光对AM50镁合金表面进行冲击强化处理，对强化区的表面形貌、粗糙度、微观组织、显微硬度、摩擦磨损性能进行了测试与分析。可知激光冲击强化后，试样表面粗糙度略有增加，强化层内含有大量位错与孪晶，强化层显微硬度明显提高，表面的显微硬度值(约67HV)明显高于基体(约40HV)，强化层厚约0.8mm。采用球-平面方式进行了干摩擦磨损实验。结果表明，磨损的主要机制为磨粒磨损，激光冲击强化试样的摩擦系数曲线与未处理试样相似，磨损体积略大于未处理试样；激光冲击镁合金的强化效果明显，而对镁合金的摩擦磨损性能影响很小。

为了在碳钢表面获得具有耐磨和耐蚀性能的铁基涂层，采用CO2气体激光在45#钢表面制备了D577合金激光熔覆涂层。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计和往复摩擦磨损试验机分析了熔覆层的显微组织，测试了涂层的硬度和摩擦磨损性能。试验结果表明，涂层由单相奥氏体组成，涂层与基体形成了良好的冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷；涂层显微硬度达630~650 HV，纳米压痕硬度为8.58 GPa，弹性模量为235.82 GPa；D577合金激光熔覆层可以明显改善基体45#钢的耐磨性和电化学腐蚀性能。