激光熔覆Fe基非晶合金涂層的研究現(xiàn)狀達(dá)則

摘 要：文章介紹了Fe基非晶合金的主要性能，并從非晶形成能力（GFA）方面著手，探討了激光熔覆Fe基非晶合金涂層的研究現(xiàn)狀。表明了目前激光熔覆Fe基非晶合金涂層的研究中，為控制結(jié)晶相的形成，獲得高非晶含量的涂層，而采用的幾種主要方式，如調(diào)整成分、加入特殊元素、調(diào)整工藝參數(shù)、激光熔覆+重熔等。

關(guān)鍵詞：Fe基非晶合金；非晶形成能力；激光熔覆；涂層

1 概述

Fe基非晶合金因具備眾多優(yōu)異性能，且其主成分Fe較常見也廉價(jià)，而成為非金合金中最具潛在價(jià)值且發(fā)展較快的合金之一。鑒于其優(yōu)勢，結(jié)合激光熔覆技術(shù)功率密度高、加熱/冷卻速度快等特點(diǎn)，使得激光熔覆Fe基非晶合金涂層已成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。目前，采用激光熔覆技術(shù)，可獲得具有一定非晶含量的Fe基非晶合金涂層，涂層通常為非晶相+結(jié)晶相的復(fù)合涂層[1]。為控制涂層中結(jié)晶相的形成，獲得非晶相含量盡可能高的Fe基非晶合金涂層，研究者進(jìn)行了大量試驗(yàn)。文章介紹了目前的研究中為提高涂層的非晶形成能力（GFA）而常用的幾種主要方式。

2 Fe基非晶合金的主要性能

2.1 力學(xué)性能

Fe基非晶合金因具有原子排列長程無序、短程序只在幾個(gè)晶格范圍內(nèi)存在、結(jié)構(gòu)缺陷甚少及原子間鍵能較高等特點(diǎn)，使得其在外力作用下，不易像晶體材料那樣沿著特定晶面發(fā)生滑移，因而具有較高的強(qiáng)度、硬度及優(yōu)異的耐摩性。如Fe-Co-B-Si-Nb系Fe基非晶合金具有約為4GPa的屈服強(qiáng)度[2]。

2.2 耐腐蝕性能

Fe基非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)中少有晶界、位錯(cuò)及層錯(cuò)等缺陷，且成分不存在偏析的現(xiàn)象，使得Fe基非晶合金因結(jié)構(gòu)和成分的均勻而具備了優(yōu)異的耐腐蝕性能。如Fe-Cr-P-C系Fe基非晶合金的耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于304不銹鋼[3]。

2.3 磁學(xué)性能

Fe基非晶合金因結(jié)構(gòu)均勻，沒有晶界、沉淀相及雜質(zhì)等的釘扎作用，使得其具有優(yōu)異的軟磁性能。如Fe-B-Si-Nb系Fe基非晶合金[4]。

3 激光熔覆Fe基非晶合金涂層

為在性能較差的金屬表面獲得性能優(yōu)異的Fe基非晶合金，研究者在激光熔覆Fe基非晶合金涂層方面進(jìn)行了廣泛研究，并取得了顯著成果。所得涂層以非晶相與結(jié)晶相相結(jié)合的復(fù)合涂層為主。研究過程中，為控制涂層中結(jié)晶相的形成，盡可能提高非晶相的含量，從而獲得具有期待性能的涂層，常通過以下幾方面來進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 調(diào)整成分

目前，激光熔覆Fe基非晶合金涂層所用的熔覆材料主要為制備大塊Fe基非晶合金的體系，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗(yàn)特點(diǎn)，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以獲得更適應(yīng)激光熔覆試驗(yàn)環(huán)境的成分配比。該類成分在激光熔覆過程中不僅能與基體實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，還具有較強(qiáng)的非晶形成能力（GFA），可獲得非晶相含量高且較牢固的Fe基非晶合金涂層。如朱慶軍等在AISI 1045鋼表面激光熔覆了Fe-Ni-Si-B系非晶合金涂層，研究了Si含量對GFA的影響，結(jié)果表明，Si含量為16%時(shí)的GFA最強(qiáng)[5]。

3.2 加入特殊元素

在激光熔覆Fe基非晶合金涂層過程中，除了對基礎(chǔ)成分進(jìn)行調(diào)整外，加入少量多種組元或適量特殊元素（如稀土RE），也可在一定程度上提高材料的GFA。如朱慶軍等通過激光熔覆Fe-Ni-Si-B-V-M系非晶合金涂層，研究了少量多種組元M（含Al、Ti、Mo、C）的添加對GFA的影響，結(jié)果表明，少量多種組元的添加可提高材料的GFA[6]。此外，稀土RE的微合金化可提高Fe38Ni30Si16B14V2非晶合金的GFA[7]。

3.3 調(diào)整工藝參數(shù)

激光熔覆過程具有眾多的工藝參數(shù)，其中，對制備Fe基非晶合金涂層影響最大的主要有激光功率、熔覆速度、送粉速度等。這些參數(shù)并不是獨(dú)立影響涂層的某一方面，而是具有一定的相互制約性。如過高或過低的激光功率均不利于理想涂層的獲得，激光功率過高不僅會(huì)增加涂層的稀釋率，使涂層成分偏離名義成分，還會(huì)降低涂層的冷卻速度，這兩方面均會(huì)導(dǎo)致非晶合金的GFA降低；而過低的激光功率則可能使涂層不能與基體牢固結(jié)合，從而導(dǎo)致涂層容易脫落。

對于不同的熔覆設(shè)備和熔覆材料，工藝參數(shù)的影響差異較大。因此，在確保涂層宏觀質(zhì)量的前提下，要獲得非晶相含量高的Fe基非晶合金涂層，需針對不同設(shè)備、不同材料，設(shè)計(jì)不同的工藝參數(shù)組合。通過調(diào)整并優(yōu)化工藝參數(shù)，可提高非晶合金的GFA，最終獲得高非晶相含量的Fe基非晶合金涂層[8]。

3.4 激光熔覆+重熔

激光熔覆+重熔是首先進(jìn)行激光熔覆，形成涂層后，再用激光對涂層進(jìn)行更加快速的掃描，使涂層重新融化并極速冷卻凝固。該方式通常在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行，其主要通過提高冷凝速度來提高非晶合金的GFA，最終獲得高非晶相含量的Fe基非晶合金涂層。

4 結(jié)束語

研究表明，可通過調(diào)整成分、加入特殊元素、調(diào)整工藝參數(shù)、激光熔覆+重熔等方式，激光熔覆出非晶相含量高的Fe基非晶合金涂層。然而，因涂層不同位置的成分及凝固環(huán)境在激光熔覆過程中的變化異常復(fù)雜，目前要在涂層宏觀質(zhì)量良好的前提下獲得均勻且完全的Fe基非晶合金涂層仍存在較大難度。因此，這方面的突破，將有助于Fe基非晶合金涂層在工業(yè)應(yīng)用上的盡早實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王彥芳，栗荔，魯青龍，等.不銹鋼表面激光熔覆鐵基非晶涂層研究[J].中國激光，2011，38（6）：1-4.

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[4] Inoue A.，Shen B. L.. Soft magnetic bulk glassy Fe-B-Si-Nb alloys with high saturation magnetization above 1.5T[J]. Mater. Trans，2002，43（4）：766-769.

[5]朱慶軍，鄒增大，王新洪，等.激光熔覆Fe-Ni-Si-B非晶層的形成能力[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（9）：91-94.

[6]朱慶軍，鄒增大，王新洪，等.稀土RE對激光熔覆Fe基非晶復(fù)合涂層的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2008，29（2）：57-60.

[7]達(dá)則曉麗，朱彥彥，李鑄國.激光功率對激光熔覆Fe-Co-B-Si-Nb涂層組織和性能的影響[J].中國表面工程，2012，25（3）：52-56.