0 引　言

转臂轴是某型发射装置的关键部件，起到传递电机动力带动弹舱盖启闭的作用。其装配在舰船甲板面，长期遭受静、动和交变载荷以及海洋腐蚀介质等环境的作用，表面镀铬层和基体磨损、腐蚀等损伤情况严重，装备的作战效能深受影响。

舰载装备零部件通常采用传统的电镀工艺进行表面处理，以提高耐磨、耐腐蚀等综合性能^{[1 − 2]}。然而，随着高新技术的不断研究和应用，电镀工艺逐渐暴露出缺陷率高、高温性能差、与基体结合力弱和污染环境等弊端^[3]。激光熔覆是一种先进的快速绿色金属表面处理技术，具有加工效率高、后续加工量小、成本低、加工精细等特点，已被国家科技部立项作为代替镀铬的技术之一^{[4 − 7]}。随着科研工作的深入，研究学者主要从光粉相互作用、材料成分设计、涂层熔覆控制工艺和性能评价等方面开展轴类和盘类零部件的耐磨防腐性能研究^{[8 − 11]}，鲜见其在舰船服役装备关键承力零部件表面涂层制备的研究和应用。

综上，针对转臂轴表面镀层磨损、腐蚀等问题，开展42CrMo基体表面高熵合金防护涂层材料成分设计、熔覆成形过程有限元分析和涂层成形工艺试验验证，获得高性能、高稳定性耐磨防腐防护涂层，实现关键零部件海洋环境极端工况条件下的性能提升和延长寿命，为装备平时战备和实战化提供研究基础。

1 实验材料与方法

实验使用激光器为IPG-6 kW光纤激光器。熔覆头为Laserline四路同轴送粉激光熔覆头，最大激光功率为6 kW，光斑直径为2.5～5 mm可调，送粉器为煜宸RC-PGF-D2型负压式双桶送粉器。实验基材为42CrMo合金钢板，材料牌号为：42CrMo-GB/T3077-1999，尺寸为100 mm×100 mm×20 mm，试验前用砂纸打磨基体材料表面去除铁锈、氧化物和其他杂质，然后用丙酮擦拭基体除去表面油污。选用纯金属粉末（粉末纯度大于99%，粒径小于50 μm）作为高熵合金粉末制备的原材料，按照Fe：Mn：Co：Cr：Ni=48∶30∶10∶10∶2（质量百分比）的比例进行粉末称量，并加入约1%质量分数的碳化钨（WC）颗粒。采用球磨机将原材料粉末混合均匀，先进行40 h干磨，然后使用酒精作为助磨剂进行湿磨0.5 h，最后将高熵合金粉末置于抽真空的干燥箱内，干燥温度设定为120~150 ℃，时间为30~45min。粉末烘干后，将粉末置于干燥箱内约30min，待粉末温度冷却到50~60℃后再将合金粉末置于送粉器内。激光熔覆试验中设定光斑直径为3 mm，离焦量为20 mm；采用氩气对熔池进行气体保护，载气量为8 L/min；激光功率从800～4000 W；搭接率为50%；扫描速度在每一块基材上从3 mm/s递增至15 mm/s；送粉率10 g/min，具体试验工艺参数见表1。

对制备试样进行线切割加工准备测试试样，金相试样经截取、打磨、抛光后，使用 4%硝酸酒精溶液进行浸蚀。使用DMILM金相显微镜观察金相试样的显微组织结构及缺陷，依据的标准为GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 226-2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》。

为研究涂层中不同深度的显微硬度以及涂层显微硬度随深度的变化规律，取G5试样从涂层表面向基体方向每隔0.1 mm测3次硬度，如图1所示，然后取平均值，测量载荷为1000 gf，头驻留时间为15 s。

试验采用盘销式摩擦磨损试验机对试样进行常温摩擦磨损试验。在测试前用线切割机床制备尺寸为15 mm×15 mm×5 mm的摩擦磨损试样，试验前用砂纸磨平并抛光接触表面并用丙酮去污后酒精超声清洗，然后用FA2004电子分析天平进行称重并记录，天平精确率为0.1 mg。试验参数为转速840 r/min，载荷430 gf，摩擦半径2 mm，常温连续磨损时间30 min。试验结束后再次超声清洗并称重，计算磨损量。采用中性盐雾试验法，将100 mm×25 mm×50 mm两块高熵合金涂层试样放入盐雾箱中，箱内环境温度为35℃，经120 h中性盐雾试验后取出试样，观察涂层表面腐蚀情况。

2 结果与分析 2.1 高熵合金涂层材料体系设计

通过CALPHAD（Calculation of Phase Diagrams）相图模拟、物化参数判据、第一性原理方法等来预测合金相的组成、结构及性能，以完成FeMnCoCrNi系高熵合金材料体系的设计，设计流程图如图2所示。

根据CALPHAD相图模拟的结果，可以确定高熵合金相的组成；从几何学、热力学、电磁学3个角度进行物化参数的判定，可以确定高熵合金相的结构，包括是否无序、是否单相、何种结构、是否稳定等。在模拟过程中对上述物化参数进行判定，若不能同时满足阈值范围要求，则需重新调整元素成分比例，如此循环，最终得到满足物化参数判据的FeMnCoCrNi系高熵合金元素成分比例。最后通过第一性原理方法对FeMnCoCrNi系高熵合金强度等力学性能进行预测，可以在物化参数阈值范围内对元素比例进行调整，成功配出成分均匀、无结构缺陷的高熵合金Fe₄₈Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀Ni₂，具体元素成分见表2，并对其微观形貌进行表征，结果如图3所示。根据转臂轴实际服役工况，除承受高温腐蚀之外要求有较高的耐磨性，故转臂轴涂层材料选择在FeMnCoCrNi高熵合金体系中添加1%的WC陶瓷颗粒，使得熔覆涂层中有较高的耐磨相存在。

2.2 不同工艺参数下的激光熔覆成形试验与验证

按照不同工艺参数进行单道熔覆试验，如图4所示，分析工艺参数对单道涂层宏观形貌的影响。观察比较B组与H组单道熔覆层的成型质量可以看出，2200 W的H组成型性能明显优于1000 W的B组。在相同的扫描速度下，提高激光功率会明显提高高熵合金的表面成型质量，这是因为当功率太低时，粉末不能充分熔化，基体也不能形成良好的熔池，未充分熔化的粉末冷却时在表面张力的作用下会形成波纹状甚至凝结成不连续的球形熔滴。只有当激光的输入能量达到一定阈值后，粉末才能完全熔化并在基体表面形成稳定的熔池，基体和熔覆涂层才能形成良好的冶金结合。

选取H6组试样对应工艺参数作为激光熔覆工艺窗口，选用前序设计的高熵合金粉末作为熔覆材料，进行转臂轴样件局部表面的防护涂层熔覆成形并精加工至原始尺寸精度和形位状态，涂层制备效果见图5。观察到转臂轴样件表面熔覆道搭接平整，熔覆层无明显裂纹等缺陷，与轴面42crMo基体结合牢固，加工后表面光滑呈现金属光泽。

2.3 高熵合金涂层性能分析 2.3.1 显微组织分析

粉末材料激光沉积成形试样的显微组织如图6所示。可知，FeMnCoCrNi高熵合金中并没有发现裂纹。此外，还可以清晰地看到熔池边界，并且熔池内部都是由等轴晶和柱状晶粒组成；同时也可以看到成束的晶粒沿着相同的方向生长，表明晶粒发生了外延成长。这些都表明，所配备的高熵合金粉末具有较好的可成形性，激光熔覆成形后组织的稳定性也较好，为制备高性能涂层奠定了良好的材料基础。

2.3.2 显微硬度测试

由图7可知，从X轴零点往负方向，即从结合面往基体方向，硬度值呈缓慢降低趋势，靠近结合面的硬度最高，往基体方向硬度逐渐降低趋于基体硬度，这是由于熔覆过程中涂层中少量元素会扩散至基体热影响区，使得靠近结合面处的硬度有所增加，沿着基体方向扩散逐渐减弱，所以硬度值呈递减趋势。

从零点往X轴正方向，即从结合面往涂层方向，硬度值有一个明显的陡增趋势，而后是一个逐渐上升的过程。这可能归因于在结合面处的白亮带是由硬度值较低的平面晶构成，以及基体材料元素的扩散作用，造成该区域硬度虽远高于基体硬度，但相较于整体涂层硬度最低。继续沿X轴正方向，该区域的组织是粗大的树枝晶，所以较白亮带的硬度有所上升。

在涂层近表面，熔覆过程中具有最高的冷却速度，使得该区域的晶粒组织呈细小的等轴晶。此外，少量WC颗粒在该区域部分溶解，产生的W、C元素一部分扩散至γ-Ni固溶体，另一部分C元素则与周围的Cr、Fe等元素形成硬质碳化物，形成弥散强化，而没溶解的WC颗粒硬质相则以颗粒状形式存在，起到硬质强化作用。在各种因素的共同作用下，涂层表面层达到最高的显微硬度。

2.3.3 摩擦磨损性能测试

分别对同一扫描速度下的F5、H6涂层及42CrMo基体3个试样进行摩擦磨损试验，从表3中可以看出，基体的磨损量最大，为2.7 mg，H6试样的涂层磨损量次之，为0.6 mg，F5试样的涂层磨损量最小，为0.5 mg。与基体试样相比，F5和H6的涂层使试样的耐磨性得到大幅提高，F5的涂层耐磨性相对基体提高了5.4倍，这是因为F5高熵合金涂层中马氏体相变导致涂层硬度较高，提高了涂层的耐磨性；此外，涂层中含有高硬质相WC颗粒，也额外提高了涂层的硬度和耐磨性。

2.3.4 耐腐蚀性能测试

从图8中可知，经120 h盐雾腐蚀后，涂层表面完全没有出现腐蚀坑或锈斑。根据GB/T10125-2012，涂层的保护等级10级，这表明该高熵合金涂层材料具有良好的抗盐雾腐蚀能力，熔覆在转臂轴表面能够起到腐蚀防护的作用，满足转臂轴使用环境的性能需求。

3 结　语

为改善舰载发射装置转臂轴表面防护涂层的综合性能，通过材料成分设计得到了最佳性能的Fe₄₈Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀Ni₂高熵合金；进行涂层熔覆试验验证，优化得到了不同参数耦合的激光熔覆最佳工艺窗口。采用设计的高熵合金粉末和激光熔覆最佳工艺窗口，在转臂轴表面进行涂层的制备和关键性能验证：熔覆层组织致密无缺陷；高熵合金防护层显微硬度可达750 HV，优于原电镀层；相同条件下磨损损失重量仅为0.5 g，与基材相比抗磨损性能提高了5.4倍；经120 h盐雾腐蚀后，涂层表面没有出现腐蚀坑或锈斑，涂层的保护等级10级，极大提高了转臂轴防护层的耐腐蚀性能。综上，基于激光熔覆的高熵合金涂层综合使用性能得到明显提升，相比原初电镀硬铬的表面处理工艺，进一步提升了转臂轴服役性能和使用寿命，该技术工艺现已推广应用至多条舰船发射装置的研制生产和等级修理中，并为多型舰船装备零部件的表面防护研究提供理论和数据支撑。