随着汽车工业的快速发展,无论是传统汽车还是新能源汽车,都迫切需要轻量化设计,以实现能源经济性和环境保护的长期目标。超高强钢替代普碳钢是实现汽车轻量化的主要途径之一。但是,高强钢板的应用导致模具的工作条件更加恶劣,所受载荷更大,模具的磨损也更为严重,给汽车模具的设计和应用带来了一系列的问题。激光熔覆作为一种表面改性技术,在修复磨损模具方面得到了广泛应用,特别是陶瓷颗粒增强金属基复合涂层能显著改善模具的力学性能和耐磨性。针对汽车模具在服役过程中存在硬度低、耐磨性差等难题,本课题通过激光熔覆技术在Cr12Mo V钢表面制备金属基复合涂层。首先利用优化好的工艺参数,在Ni45涂层中原位合成Nb C,根据涂层组织、硬度和耐磨性,确定Nb C的最优理论设计含量;然后以等摩尔的Ti取代Nb,制备出（Ti,Nb）C/Ni复合涂层,并分析涂层的组织特征、力学性能和耐磨性,以及（Ti,Nb）C/γ-Ni的界面结合本质;最后,通过加入不同含量的Ce O₂、改变冷却速度,对（Ti,Nb）C/Ni涂层进行改性研究。研究结果有望对汽车模具磨损表面修复提供指导。具体研究内容如下:首先,分析了工艺参数对涂层熔高、熔宽、熔深和稀释率的影响,发现当激光功率为2000 W,扫描速度为4 mm/s,送粉率为15 g/min时,涂层成形较好、无缺陷,涂层熔高、熔宽、熔深和稀释率分别是:1.340 mm、4.791 mm、0.135 mm和9.15%,涂层和基板实现了冶金结合。在此基础上,以Ni45、Cr₃C₂和Nb粉末为熔覆材料,在Cr12Mo V模具钢表面制备Nb C/Ni涂层。研究发现,不同理论设计含量对涂层强化相尺寸、形状和分布有较大影响,随着Nb C理论设计含量的增加,Nb C颗粒逐渐由块状向花瓣状转变,当涂层中Nb C的理论设计含量为20 wt.%时,原位合成的Nb C颗粒分布均匀,尺寸规整且集中在0.3μm～0.8μm之间。强化相Nb C、Cr₃C₂、Cr₂₃C₆和Cr₇C₃的析出是涂层硬度提高的主要原因,且在磨损过程中,Nb C及碳化铬突出于涂层表面,阻止了基体的塑性变形和剥落,使磨损失重明显减少,耐磨性相比于Ni45涂层提高了4.43倍。以20 wt.%的Nb C理论设计含量为基础,用等摩尔的Ti替代Nb,制备了不同Nb:Ti比例的复合涂层（Ti,Nb）C/Ni。研究发现,由于Ti C和Nb C晶格常数相近,晶体结构相同,且二者具有较多低表面能的匹配面,Ti C和Nb C在熔覆过程中极易相互结合并依附生长成（Ti,Nb）C。但是熔池中Nb C的形核能力强于Ti C,所以复合碳化物（Ti,Nb）C的晶格常数与Nb C相近。当Nb:Ti比例为1:1时,涂层耐磨性优于其他涂层。利用第一性原理对不同Nb:Ti比例的（Ti,Nb）C进行计算发现,它们均能稳定存在,且当Nb:Ti比例为1:1时,硬度最大。各向异性指数和杨氏模量各向异性图表明,Nb C和Nb_0.75Ti_0.25C具有较强的各向异性。另外,（Ti,Nb）C中含有金属键和共价键,德拜温度随着Ti含量的增大而升高。根据第一性原理计算发现,在Nb:Ti比例为1:1的（Ti,Nb）C/Ni复合涂层中,Ni有较多的自由表面与其他相进行匹配,其中最有可能的是Ni（100）、Ni（211）和Ni（110）。基于透射电镜和能谱得出的界面取向关系γ-Ni（202）/（Ti,Nb）C（220）,建立了10种（Ti,Nb）C/γ-Ni界面模型。研究发现,Nb原子的堆垛位置相对于Ti的取代位置,对界面影响更大,Nb原子中心位堆垛具有较强的原子间相互作用、界面结合力和热力学稳定性,（Ti,Nb）C/γ-Ni界面的失效最有可能发生在界面处或者靠近γ-Ni一侧。（Ti,Nb）C/γ-Ni界面是极性共价键和金属键的结合,电子的转移主要集中在界面区及附近。最后,通过加入Ce O₂和改变冷却速度对（Ti,Nb）C/Ni复合涂层进行改性。研究发现,熔池中的Ce O₂分解后,Ce不但对涂层具有除气除渣和净化的作用,还可降低表面张力和界面能,阻碍晶界或相界的移动,从而细化显微组织;未完全分解的Ce O₂会作为涂层中（Ti,Nb）C和碳化铬(Cr₂₃C₆和Cr₇C₃)的异质形核核心,且添加5 wt.%Ce O₂的涂层表现出了最大拉伸强度。液氮冷却条件下制备的涂层组织显著细化,γ-Ni基体中Fe,Cr,Nb和Ti元素的固溶量增大,使液氮涂层的弹性模量和平均硬度高于空冷涂层,耐磨性比空冷涂层提高了73%。涂层磨损面上均发生了摩擦化学反应,且液氮涂层磨损面的粗糙度较小。