摘    要：镍基碳化钨（WC）复合涂层因其优异的耐磨性、高硬度和良好的结合强度，在航空航天、能源动力、重型机械等领域具有广泛的应用前景。文章系统阐述了 WC 颗粒在镍基涂层中的多重强化机制，主要包括细晶强化、第二相强化、固溶强化及其协同作用机理。结合第一性原理计算、透射电镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）和能谱分析（EDS）等先进微观分析手段，深入揭示了WC 与 Ni 基体之间的界面电子结构、键合行为与相演化过程 。研究表明，WC 的加入通过改变熔池动力学行为、优化界面结合状态、诱导多种碳化物析出等途径，显著提升了涂层的力学性能和服役寿命。然而，WC 在激光熔覆过程中的溶解、分解、氧化及分布不均匀性也会导致气孔、裂纹和脆性相形成，进而影响涂层综合性能。文章综合分析了 WC 增强镍基涂层的多尺度强化机理，并提出了工艺优化方向，为开发高性能耐磨涂层提供了重要的理论依据和技术支撑。

       关键词：镍基涂层；碳化钨；强化机制；界面键合；透射电镜

       随着高端装备性能要求的提升，关键部件在极端工况下的可靠性面临严峻挑战 。表面工程技术，特别是激光熔覆技术，通过在基体表面制备高性能涂层，成为提升部件服役性能的关键 。镍基合金因良好的综合性能被广泛用作涂层基体，但其硬度和耐磨性难以满足高负荷工况需求［1］。

       引入碳化钨（WC）硬质相是提升镍基涂层耐磨性的有效途径 。WC 具有高硬度、高熔点和优异的化学稳定性，是理想的增强相。然而，WC 在激光熔覆快速加热与凝固过程中的行为极为复杂，其溶解、分解及与基体的界面反应直接影响涂层性能 。特别是 WC 与 Ni 基体的界面结合状态，是决定涂层性能的关键［2］。

       文章基于前期系统的实验研究和理论分析，从WC 的物理性质与结构特征出发，结合理论计算与实验表征，深入探讨 WC 与 Ni 基体的界面键合机理，系统阐述 WC 的多重强化机制，建立成分-结构-性能之间的内在关联，为高性能 WC 增强镍基涂层的开发提供理论指导。

       1   WC 的物理性质与结构特征

       碳化钨（WC）为六方晶系（HCP）结构，W 与 C 原子按 AB 型堆垛，晶格常数 a=b=0.2906nm，c=0.2837nm。镍（Ni）为面心立方（FCC）结构，晶格常数 a=0.3524nm。两者晶体结构与晶格常数差异导致约 17.5% 的晶格失配［3］，但界面处的原子重排与化学反应仍能形成良好结合。

       WC 具有高密度、高熔点、高硬度和高弹性模量等优异性能，如表 1 所示。其热膨胀系数呈现各向异性，与 Ni 基体的差异在快速热循环中会产生显著热应力，影响界面结合与涂层完整性。

       2   WC 与 Ni 基体的界面键合机理

       2.1   界面电子结构与电荷转移行为

       基于密度泛函理论的第一性原理计算，揭示了 C封端与 W封端两种界面的电子结构与键合特性［3］。电荷密度如图 1 所示，C 封端界面中 Ni 与 C 原子间电子云重叠显著，形成连续分布，表明强化学键合［4］。

       差分电荷密度如图 2 所示，进一步表明 C 封端界面中 C 原子周围为电子富集区，Ni 原子周围为电子亏损区，电荷转移明显，形成离子-共价混合键；W 封端界面无明显的深浅灰度差异，电荷转移弱，键合较弱［5］。

       2.2   Mulliken 布局分析与键合特性

       Mulliken 布局分析为理解界面键合特性提供了定量依据［2］，如表 2 所示，C 封端界面中 C 原子得 0.59e，Ni原子失 0.19e，电荷转移量达 0.78e；W 封端界面净转移仅 0.72e。

       键布局分析如表 3 所示，Ni-C 键布局数 0.56，键长1.73A，为强离子 - 共价混合键；Ni-W 键布局数 0.01，键长 2.13A，键合弱；W-C 键布局数 1.46，为强共价键 。C封端界面结合强度显著优于 W封端界面。

       3   WC 在镍基涂层中的强化机制

       3.1   细晶强化机制

       激光熔覆是一个典型的快速凝固过程，其冷却速率通常可达 103~106K/s，在这种非平衡凝固条件下，形核率成为决定涂层微观结构的关键因素。                  WC 颗粒在熔池中作为有效的异质形核核心，显著促进形核率提高，从而导致晶粒细化。根据 Hall-Petch 关系，如式（1）。晶粒细化可提高强度 。            WC/Inconel625 复合涂层组织明显细化，平均硬度从 350 HV 提升至 589 HV，增幅 68%。

       3.2   第二相强化机制

       第二相强化是 WC增强镍基涂层最重要的强化机制之一 ，主要包括未溶解 WC颗粒的承载作用和次生碳化物的弥散强化作用。

       未溶解 WC颗粒（硬度 2000 HV）作为主要承载相，提升耐磨性 。载荷传递理论表明，含 30%WC涂层强度可提高约 15% 。WC 分解 反应：2WC→W2C+C，W2C → 2W+C，产物与合金元素形成 M6C、M7C3 等次生碳化物，通过 Orowan 机制阻碍位错运动，产生弥散强化［4］。

       3.3   固溶强化与析出强化

       WC 分解产生的 W 和 C 原子可固溶于镍基体中 。 W 原子半径（0.141nm）大于 Ni（0.125nm），形成置换固溶体，引起晶格畸变并与位错相互作用；C 原子（半径0.077nm）作为间隙原子固溶，同样产生显著的固溶强化效应 。固溶强化贡献可用 ΔσSS=K·cn 估算，其中对于 W在 Ni 中，K 值约为 1~3GPa/at%（1/2）。在涂层冷却过程中，过 饱 和 的 W 和 C 会 与 合 金 元 素 形 成 如（Ni，W）6C、 Cr23C6 等碳化物析出相 。这些析出相通过弹性与化学相互作用以及影响层错能等机制进一步强化基体 。析出强化效果取决于析出相的数量、尺寸、分布及结构，当析出相尺寸为 10~50nm、数密度达到 1022~1023m-3 时，强化效果最优。

       3.4   多重强化机制的协同作用

       在实际涂层中，上述强化机制并非独立作用，而是相互协同、相互影响的复杂系统 。图 3 示意性地展示了三种主要强化机制的协同作用：细晶强化通过增加晶界数量阻碍位错运动；第二相强化通过硬质相承载载荷和阻碍位错；固溶强化通过晶格畸变增加位错运动阻力。

       但 WC 分解会产生 CO/CO2 气孔，过量次生碳化物易成为裂纹源，需优化工艺参数以平衡性能。

       4   界面反应与相演化分析

       4.1   界面扩散层与反应相形成

       通过对 WC/Ni 界面系统研究可知，在 WC颗粒与Ni基体界面处形成了明显的扩散层，其宽度可达 678nm。在扩散层内，Ni、Cr、Fe、W、C 等多种元素浓度的渐变分布，表明发生了显著的元素互扩散。

       在扩散层内，通过 EDS 分析检测到 Ni、Cr、Fe、W、C等多种元素的浓度渐变分布，表明发生了显著的元素互扩散 。特别值得注意的是，W 元素从 WC 颗粒向 Ni基体扩散，而 Ni、Fe、Cr 等元素则向 WC 颗粒内部扩散，这种双向扩散行为促进了复杂碳化物的形成。

       Marangoni 效应在界面扩散过程中扮演重要角色。由于 WC 与 Ni 基体之间存在大的温度梯度和成分差异，熔池内产生强烈的 Marangoni 对流，进一步促进了元素的混合和界面反应层的增厚 。这种对流作用使得界面处的元素分布更加均匀，有利于形成连续、致密的界面结合。

       4.2   碳化物相鉴定与晶体学关系

       在 WC 碎片与 Ni 基体之间的界面处观察到清晰的界面结构，无其他杂质相存在，且两者之间的晶面夹角为 30。，这表明它们之间存在良好的晶体学匹配和润湿性，有助于提高界面结合强度。

       4.3   热应力与位错结构

       由于 WC 与 Ni 基体在热膨胀系数和弹性模量上存在显著差异，在激光快速加热和冷却过程中，界面处会产生巨大的热应力。

       WC 颗粒附近的位错密度可达 1014~1015m-2，远高于基体平均位错密度（1012~1013m-2）。这些高密度位错通过以下机制贡献于涂层强化：位错缠结阻碍后续位错运动；位错应力场与溶质原子相互作用；位错胞结构形成细化有效滑移距离。

       然而，当热应力超过界面结合强度时，会导致界面剥离和微裂纹形成 。最外层界面反应层从 WC 颗粒表面剥离的情况，形成的碎片分散在镍基体中 。这些碎片虽然仍能提供一定的强化作用，但也会成为应力集中点，可能诱发裂纹扩展。

       5   研究结论

     （1）C 封端界面形成强离子 - 共价混合键（布局数0.56，键长 1.73A），结合强度显著优于 W封端界面。

     （2）WC 通过细晶强化、第二相强化及固溶 / 析出强化三种机制协同作用，显著提升涂层硬度与耐磨性。

     （3）TEM 与 SAED 证实界面处形成宽扩散层及W2C、 Fe2C 等碳化物，良好的晶体学关系保证了界面结合，但热失配导致的高密度位错与界面剥离需引起重视。

     （4）需优化激光工艺参数以控制 WC 溶解与分布，避免气孔与脆性相形成，平衡涂层性能。

参考文献

［1］李倩，陈发强，王茜，等。激光熔覆 WC 增强 Ni 基复合涂层的研究进展［J］.表面技术，2022，51（2）：129-143.

［2］马志鹏，夏杨嘉雯，李昊宣，等.SiC 陶瓷与 Zn 界面结合特性的第一性原理研究［J］.材料科学与工艺，2021，29（1）： 47-52.

［3］张好强，曹幸飞，吴昱鑫，等.La 掺杂 WC（0001）/Co（111）界面结合强度、稳定性和电子结构的第一性原理研究［J］.人工晶体学报，2024，53（12）：2113-2123.

［4］杨超，陈轩，肖寒，等.激光熔覆 WC 增强 Ni 基复合涂层组织和硬度的研究［J］.热加工工艺，2025，54（2）：44-47.

［5］田宪华，陈彬彬，杨晓东，等.WC 含量对 WC/Ni60 激光熔覆层组织与性能的影响［J］. 中国激光，2025，52（4）：141-158.