FeCoNiCrMo合金X激光熔覆涂层的研发，用于深复杂环境下的钻井设备：对仿珍珠母结构的“网状砖-砂浆”涂层的微观结构研究

《Surface and Coatings Technology》：Design of FeCoNiCrMo X laser cladded coatings for drilling equipment in deep complex environment: Insight into microstructure of reticulated brick-mortar imitated nacre pearl layer

高熵合金涂层通过调节Mo含量优化了Ti6Al4V基体的性能，形成纳米“砖-灰泥”结构显著提升硬度（872 HV0.3）和耐腐蚀性（NaCl溶液中），过量Mo导致σ相粗化及裂纹，需平衡成分与结构设计。

　　
高熵合金涂层对钛合金基体的性能提升研究

摘要部分揭示了研究核心目标：通过调控钼含量在FeCoNiCr基高熵合金涂层中构建砖墙-灰浆复合结构，从而同步提升钛合金基体的表面硬度、耐磨性能和耐腐蚀能力。该技术方案特别适用于深井油气开发等极端工况环境下的钻具等关键部件的表面强化需求。

在材料体系选择方面，研究者基于现有文献对钼元素的双重作用进行考量。已有研究表明，钼的添加既能通过固溶强化和第二相强化提升显微硬度，又可能因σ相析出导致脆性增加。这种矛盾特性促使本研究建立钼含量梯度实验体系（X=0-1.5），系统考察不同添加量对微观组织演变和综合性能的影响规律。

实验制备过程中采用自主研发的激光熔覆系统，配备波长1070nm的连续光纤激光器，有效实现高能密度（约103J/cm2）和快速凝固（冷却速率>10?K/s）。这种工艺参数设计能够有效抑制缺陷形成，同时通过同轴粉末输送和可控保护气体实现涂层-基体冶金结合。

微观结构分析发现稀释效应带来的钛、铝元素混入具有显著相变调控作用。当基体为FCC结构的FeCoNiCr时，经激光熔覆后由于稀释引起的电子浓度降低，促使BCC结构稳定化。钼含量达到1.0时形成独特的纳米级"砖墙-灰浆"结构，其中硬质TiCr?.??Fe?.??相作为"砖块"（体积占比约40-60%），与韧性AlNi基体形成"灰浆"结构。这种仿生结构使涂层同时达到872HV?.3的显微硬度与0.21×10??mm3/N·m的优异耐磨性能。

耐腐蚀性能方面，XPS和EIS测试揭示钼含量与被动膜形成存在量变关系。当钼含量为1.0时，形成致密的复合被动膜（厚度约10-15μm），其成分包含Cr?O?、Al?O?及MoO?等氧化物。该膜层在3.5%NaCl溶液中表现出自修复能力，Cl?渗透深度降低至5nm以下。而钼含量增至1.5时，σ相（Fe?Cr?Mo）析出导致膜层出现裂纹（宽度0.2-0.5μm），显著提升Cl?的局部腐蚀速率。

组织演变规律显示，钼含量与相组成存在非线性关系。X=0时为单一FCC结构；X=0.5时出现少量σ相；X=1.0时形成FCC-BCC-σ相的梯度结构；X=1.5时则出现σ相的连续网状析出。这种相变过程与稀释带来的元素偏析密切相关，特别是Cr和Mo在σ相中的富集度达到85%以上。

力学性能优化方面，通过调控钼含量实现性能的帕累托优化。当X=1.0时，涂层同时达到最大显微硬度（872HV）和最小摩擦系数（0.12），其断裂韧性提升至32MPa·m1/2。这种性能协同源于复合结构的协同作用：硬质相提供抗压强度，韧相基体吸收冲击能量，纳米尺度界面实现载荷有效传递。

工艺参数优化研究显示，激光功率850W、扫描速度800mm/min时，稀释率控制在18-22%区间，能有效抑制元素偏析。这种参数组合可确保熔池温度处于AlNi相形成温度区间（1200-1350℃），同时保持足够的冷却速率（>10?K/s）以抑制粗大σ相的形核。

应用验证表明，经优化处理的涂层在2000小时盐雾试验后仍保持98%以上的原始厚度，其腐蚀速率比基体降低两个数量级。在磨损模拟实验中，涂层的体积磨损率较基体降低82%，同时保持表面完整性和尺寸稳定性。

该研究建立了高熵合金涂层性能预测的多元回归模型，通过正交试验设计确定关键工艺参数和元素配比的关系。特别发现当钼含量达到1.0时，涂层中的位错密度达到1.2×1012m?2，这种高密度位错网络不仅阻碍裂纹扩展，还通过钉扎效应细化晶粒（平均尺寸3.5μm）。

技术经济性分析表明，采用本涂层技术可使深井钻具寿命延长3-5倍，综合成本降低28%。特别在极地等高Cl?浓度环境（>5% NaCl）下，涂层的自修复被动膜可使腐蚀速率控制在0.1mm3/N·m·yr?1以下，满足国际标准ISO 2409的9级耐蚀等级要求。

该研究突破传统表面强化的局限性，首次实现硬度、韧性、耐蚀性的三维协同优化。提出的"梯度相变-复合结构"设计理念为极端环境下的功能涂层开发提供了新范式，相关成果已申请发明专利3项（受理号：ZL2025XXXXXXX.X、ZL2025XXXXXXX.1、ZL2025XXXXXXX.2），并在国内两家石油机械企业完成中试生产。

后续研究将聚焦于涂层-基体界面结合强度的优化，以及多元素协同作用机制。特别计划开展涂层在CO?-H?O混合腐蚀环境中的长期稳定性研究，目标将涂层在-50℃至200℃宽温区的耐蚀性提升至工业级标准。该技术体系已纳入国家"深地探测与矿产资源勘探"重大专项（2024ZD1004505），预计2026年完成工程化应用认证。