摘    要：为获得高耐磨性激光熔覆涂层，采用激光熔覆技术制备 WC增强 Fe 基涂层，通过控制稀土氧化物La2O3的添加量，系统研究其对涂层微观组织、硬度及耐磨性的影响规律。研究结果表明，La2O3 的添加有利于涂层微观组织的细化，同时改善组织均匀性与致密性，且涂层的耐磨性随 La2O3 添加量的增加呈现先提升后下降的变化趋势 。当 La2O3 的添加量为 1wt.%时，涂层的耐磨性最优，此时磨损机制以粘着磨损为主，相较于未添加La2O3  的涂层，其磨损量降低 63.8%。

       关键词：激光熔覆；耐磨性；稀土氧化物；碳化钨

       在能源开采领域，传动齿轮的稳定性对设备的安全极其重要，然而这些部件通常暴露在露天的环境中，极易产生剧烈磨损，累积后的磨损不仅会降低传动效率，严重时还会发生崩齿等严重故障 。激光熔覆技术作为一种新型的表面改进办法，利用高能激光束熔化粉末使其与基板形成良好的冶金结合 。然而纯自溶性粉末在恶劣的环境中难以满足使用要求，因此，研究人员将碳化钨（WC）等陶瓷颗粒加入涂层中。Hu 等人［1］研究了 WC 含量对镍基涂层耐磨性，结果表明复合涂层的耐磨性随 WC 含量的增加呈现先增加后降低的趋势 。 Chen 等人［2］研究了 WC 颗粒的尺寸对 Ni 基复合涂层耐磨性的影响，结果表明添加纳米级的 WC 颗粒的复合涂层具有最佳的耐磨性和摩擦系数。

       稀土元素凭借其较大的原子半径、优异的化学活性及独特的电子构型，在激光熔覆涂层制备等材料表面改性领域中被广泛应用。但稀土元素的添加量存在显著的剂量效应，需通过精准调控以确保涂层获得最优硬度、耐磨性、结合强度等综合性能 。Li 等人［3］探究La2O3 添加量对 Ni 基陶瓷复合涂层开裂敏感性以及性能的影响，结果表明 La2O3  添加量为 0.6%时，此时复合涂层无裂纹且微观组织无变化，摩擦性能最优 。王立珺等人［4］探究了 CeO2 含量对 Ni-TiC 复合涂层的影响，结果表明当 CeO2  的含量为 2%时，涂层具有最佳的磨损体积，此时涂层的耐磨性最好。

       文章通过激光熔覆的技术将稀土氧化物 La2O3  添加到 WC-Fe 基复合涂层中，通过调控其的添加量，对复合涂层的微观组织、显微硬度、耐磨性进行研究，确定稀土氧化物的添加量以保证涂层具有最佳性能，为延长齿轮的寿命、提高其工作的稳定性提供了技术参考。

       1    实验过程

       文章采用 40Cr 作为基板材料，Fe 基自溶性粉末形态如图 1（a）所示，粉末呈现不规则形状、表面存在凹凸不平 。WC 颗粒的形状呈现圆形，形状如图 1（b）所示。

       实验中提供的粉末的配比，如表 1 所示 。按照表 1的配比制备试样 A1~A4，将试样使用王水对涂层金相腐蚀，随后使用 SEM 对微观组织进行观测。使用数显显微硬度仪测定涂层顶部到基板的硬度 。使用摩擦磨损试验机对不同涂层进行摩擦磨损实验，选择 Si3N4 作为摩擦副，负载为 40N，摩擦半径为 3.5mm，磨损时间为30min，通过称量磨损前后的质量损失确定磨损量，随后将磨损表面拍摄 SEM 以分析磨损机理。

       2   实验结果与讨论

       2.1   微观组织的影响

       涂层微观组织如图 2 所示 。根据凝固理论，凝固组织形态主要由温度梯度（G）与凝固速度（R）的比值（G/ R）决定［5］，不同区域的散热条件差异导致 G/R 比值变化，进而形成不同的晶体形态［5］。

       涂层与基板的结合区（底部）主要由平面晶组成，核心原因是熔覆过程中，结合区紧邻高导热性基板，散热速率快，导致温度梯度 G 大而凝固速度 R 小，G/R 比值较高。此时晶体生长受限于热传导方向，侧向生长被抑制，故以平面晶为主。

       在涂层中部，凝固速度 R 增大，导致 G/R 比值下降。在此条件下，平面晶上方逐渐过渡为胞状晶与柱状晶，且柱状晶沿主散热方向呈一定角度生长。

       在涂层顶部区域，由于顶部直接与空气接触，而空气导热系数远低于金属基板，导致散热速率较慢，形成温度梯度 G 最小、凝固速度 R 相对较大的特征，此时G/R 比值最小 。晶体生长无明显择优取向，故涂层顶部以等轴晶为主，伴随少量柱状晶。

       根据图 2 中不同涂层晶粒尺寸可知，随着稀土氧化物的添加，涂层的晶粒尺寸减小，造成这种现象的原因是稀土氧化物 La2O3 受热分解的La 元素在晶界处的拖曳效应阻碍了晶粒的生长［6］，因此出现晶粒细化 。当稀土氧化物 La2O3 添加量为 2%时，此时涂层的晶粒细化效果变差，原因是过量的稀土氧化物不能在涂层当中完全分解，会以固体颗粒的形式存在涂层中，这种固体颗粒增加了熔池的黏度，降低驱动力，不利于异质性核心，因此晶粒尺寸增大［7］。

       2.2   显微硬度和磨损性能

       显微硬度数据如图 3（a）所示，根据硬度曲线可知，随着 La2O3 添加量的增加，涂层的硬度呈现上升的趋势，原因是适量的 La2O3 细化了涂层的晶粒，较细的晶粒增加了晶界的面积，从而增强了细晶强化的作用 。然而当La2O3  的添加量为 2wt.%时，涂层的硬度下降，原因是过量的 La2O3 会发生聚集效应，使 La2O3 无法均匀地分布在涂层中，降低了La2O3  的强化作用。

       不同 La2O3  含量复合涂层的摩擦系数在 30min 内的变化，如图 3（b）所示。从图 3（b）中可以观察到，除 A2涂层之外其他涂层的摩擦系数呈现不规则变化 ，造成这种现象的原因是摩擦过程中摩擦副接触到未溶解的WC 颗粒，使接触面积和摩擦力发生剧烈变化，因此摩擦系数产生波动 。当涂层中添加适量的 La2O3  时，晶粒发生细化，涂层的硬度增加，部分硬质颗粒在摩擦过程中脱落，因此 A2 涂层呈现稳定的摩擦系数。

       四组试样的磨损质量，如图3（c）所示。从图 3（c）中可以观察到，涂层的磨损质量随着 La2O3 添加量的增加而逐渐降低 。A2 涂层中 La2O3  的添加量为 1wt.%，磨损质量仅为 0.38mg，耐磨性明显提高，原因是适量的La2O3加快了成核效率，使涂层具有更细密的晶粒，提高涂层的耐磨性 。当 La2O3 添加过量时，与涂层其他元素形成脆性化合物，涂层的硬度降低，磨损过程中化合物颗粒容易脱落，加剧磨粒磨损，因此耐磨性下降。

       摩擦表面的摩擦微观形貌，如图 4 所示。A1 涂层表明存在一些平行的犁沟、黏着磨损碎片、磨粒磨损碎片和部分剥落坑，原因是摩擦球在磨损过程中会对涂层产生强烈的切削作用，经过一定的次数的循环之后，沟槽附近产生碎屑和剥落坑，因此A1涂层主要是磨粒磨损和黏着磨损。A2 涂层中犁沟的深度变浅，存在部分的黏着磨损碎屑。A3 涂层表明较为光滑，仅存在细小裂纹和较轻的剥落痕迹，耐磨性明显提升，原因是适量的La2O3 硬度可以细化晶粒，增加涂层的硬度，因此涂层以轻微的黏着磨损为主。A4 涂层表明有较深的犁沟，还存在部分黏着碎片，表明涂层以严重的磨粒磨损和黏着磨损为主。

       3   结   果

       综上所述，文章主要研究了稀土氧化物 La2O3  对Fe-WC 复合涂层微观组织、硬度和耐磨性的影响。适量的稀土氧化物 La2O3 添加可以细化涂层微观组织，La 原子在晶界处的拖曳效应阻碍了晶粒的生长，当 La2O3 含量为 1wt.%时改善效果显著，若 La2O3 过量则会导致细化晶粒的效果减弱。当 La2O3  的含量为 1wt.%时，涂层的平均硬度最高，此时复合涂层的摩擦系数较为平稳，相较于未添加 La2O3  的涂层磨损质量减少 63.8%，显著地提升了复合涂层的耐磨性。

参考文献

［1］Hu Yanjiao，Wang Zixuan，Pang Ming. Effect of WC content on laser cladding Ni-based coating on the surface of stainless steel ［J］. Materials Today Communications，2022（3）：103357.

［2］Ding Haitao，Cao Yue，Hua Ke，et al. Fretting wear resistance at ambient and elevated temperatures of 316 stainless steel im- proved by laser cladding with Co-based alloy/WC/CaF2 compos- ite coating［J］. Optics and Laser Technology，2023，163：109428.

［3］Meiyan Li，Bin Han，et al. Effects of La2O3 on the microstructure and property of laser cladding Ni-based ceramic coating［J］. Op- tik -International Journal for Light and Electron Optics，2017， 130：1032-1037.

［4］王立珺，师文庆，梁飞龙，等.CeO2 含量对激光熔覆 Ni 基- TiC 复合涂层组织和性能的影响［J］.稀有金属与硬质合金， 2025，53（4）：81-91.

［5］王忠柯，郑启光，王涛，等.激光表面熔覆层凝固组织特征形成过程［J］.激光技术，2000（1）：66-68.

［6］张好强，刘豪，王莉娜，等.稀土在激光熔覆中的应用及研究进展［J］.热加工工艺，2023，52（20）：6-11.

［7］张光耀，王成磊，高原，等 .稀土 La2O3 对 6063Al 激光熔覆Ni 基熔覆层微观结构的影响［J］. 中国激光，2014，41（11）： 53-58.