中国海洋大学崔洪芝教授团队《JMST》丨铁基涂层中碳硼化物与碳氮化物的协同强化机制：耐磨与耐蚀性能的统一调控

2026-01-06 13:28:45 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

铁及其合金在工程中的应用几乎遍布所有领域，这得益于它们优异稳定的综合性能，也正因如此，铁基涂层因其成本低、力学性能可调、工艺适应性强，被推广应用至多种工程使用场合。然而，传统铁基涂层经常会面临着“耐磨与耐腐”的制约瓶颈，这是因为高硬度的碳化物有利于增强耐磨性，却可能诱发微电偶腐蚀，而均匀耐蚀组织又常常会牺牲硬度与抗磨损能力。在此背景下，如何通过多类型硬质相的协同设计，实现磨损与腐蚀行为的同步优化，成为铁基涂层研究中的核心问题之一。

针对这一关重问题，中国海洋大学材料科学与工程学院院长崔洪芝教授团队系统研究了碳硼化物与碳氮化物在铁基涂层中的形成机制及其对耐磨损与耐腐蚀性能的协同影响，揭示了第二相类型、形貌与分布对服役性能的关键调控规律，为高性能铁基表面工程涂层的设计提供了重要理论依据。目前该成果已于2025年12月，在材料领域的国际权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》以“Effects of carboborides and carbonitrides on the wear and corrosion resistance of Fe-based coatings”为题在线发表。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.12.011

【核心内容】

研究通过调控合金成分与反应路径，在铁基涂层中原位引入碳硼化物与碳氮化物复合强化相，系统比较了不同第二相特征下涂层的显微组织演化、磨损机制与电化学腐蚀行为。研究表明，细小、弥散分布的碳硼化物/碳氮化物相不仅能够显著提升涂层硬度和抗磨损能力，同时还能通过组织均匀化效应抑制局部腐蚀，从而实现耐磨与耐蚀性能的协同提升。

图形摘要

【研究方法】

团队将合金成分为：2.03 wt.%C、4.23 wt.%Cr、6.48 wt.%Mo、6.52 wt.%W、6.25 wt.%V、4.45 wt.%Co的高速钢粉末颗粒与由纯度99.8%的纳米BN颗粒组成的BN粉末在200rpm的球磨机中混合4h，使纳米BN颗粒均匀地附着在球形HSS粉末表面，共设计了四种不同BN含量（0、1、2和3wt.%）的样品，分别命名为0BN、10BN、20BN和30BN。采用激光熔覆技术在普通碳钢（Q355）表面制备了HSS/BN复合涂层。针对制备完成的样品团队结合XRD与SEM/EDS分析相组成并表征显微组织与元素分布，通过显微硬度测试与干滑动磨损实验评估耐磨性能；以动电位极化曲线与电化学阻抗谱（EIS）系统表征样品的腐蚀行为，系统性的以结构-性能-机制的多尺度关联分析为核心，深入揭示第二相调控规律。

复合涂层制备过程示意图

【研究成果】

① 碳硼化物与碳氮化物的形成及相组成特征

随着BN添加量的增加，铁基涂层由单一碳化物体系逐步演化为包含碳硼化物与碳氮化物在内的复合陶瓷相体系，这些新生成的复合相并非简单的元素叠加，而是B、N原子参与晶格形成后稳定存在于硬质相结构中，且该复合陶瓷相是在熔池内原位反应生成，为后续组织调控和性能协同提供了稳定的相组成基础。

原始粉末的SEM形貌与EDS分析

复合涂层的XRD相分析

② 显微组织均匀化与第二相分布调控机制

涂层内的铁基基体之上，碳硼化物与碳氮化物主要呈现细小、弥散、均匀的分布特征，与传统富碳涂层中常见的粗大碳化物相比，该工作的策略未在涂层内形成连续网状或粗大的聚集相，这种组织形貌能够规避界面应力集中与裂纹萌生风险，同时增强了硬质相对基体的有效承载与约束作用。

涂层微观组织与碳化物分布统计

TEM微观结构表征与衍射分析

MC型碳化物的形貌与成分分析

③ 硬度提升与耐磨性能增强的协同表现

随着碳硼化物和碳氮化物含量的增加，涂层整体硬度呈现出提升趋势，这种硬度增强并非单纯依赖于硬质相含量增加，而是源于细小弥散硬质相与基体之间的协同变形与载荷分担机制，磨损实验结果进一步验证了这一点，涂层的磨损率明显降低，显示出优异的抗磨损能力。复合陶瓷相的引入改变了涂层的磨损失效模式，相比未优化组织的涂层，复合强化涂层表面犁沟深度明显减小，材料剥落现象受到有效抑制，磨损机制由以严重犁削和局部剥落为主，逐步转变为以轻微磨粒磨损为主。