激光熔覆鐵基非晶合金涂層的性能研究

劉濤 田芳 唐秋逸

摘 要：當前，人們可以采用激光熔覆技術(shù)制備鐵基非晶合金涂層，其結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)良，與傳統(tǒng)制備技術(shù)相比，該技術(shù)具有顯著的優(yōu)越性。因此，本文分析了涂層厚度、激光熔覆工藝參數(shù)、微量合金元素的種類和含量對鐵基非晶涂層性能的影響，以期優(yōu)化激光熔覆非晶涂層的制備工藝。

關(guān)鍵詞：激光熔覆;非晶涂層;性能

中圖分類號：TG139.8文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0128-02

Abstract： At present， people can use laser cladding technology to prepare iron-based amorphous alloy coatings， which have excellent structure and performance. Compared with traditional preparation technologies， this technology has significant advantages. Therefore， the effects of coating thickness， laser cladding process parameters， types and contents of trace alloying elements on the properties of iron-based amorphous coatings were analyzed in this paper， in order to optimize the process of laser cladding amorphous coatings.

Keywords： laser cladding;amorphous coating;performance

非晶合金又名金屬玻璃，是指液態(tài)金屬在急速冷卻過程中結(jié)晶過程受阻而形成的一種新材料。其基本呈拓撲密堆長程無序、短程有序的結(jié)構(gòu)，沒有位錯、晶界和層錯等。非晶合金具有優(yōu)良的物理性能和化學性能，被廣泛應(yīng)用于化工、電子、軍工以及機械加工行業(yè)，前景廣闊。

目前，人們可以采用激光熔覆技術(shù)[1-3]，將涂層粉末熔化在基材表面，使其快速凝固，形成非晶合金涂層。該技術(shù)具有冷卻速度快、熱影響小、無污染等優(yōu)勢。激光熔覆技術(shù)是一種制備非晶涂層的新工藝，可以加快工業(yè)化發(fā)展，所以受到人們的廣泛關(guān)注。鐵基、鋯基、鎳基、銅基等是目前最常見的利用激光熔覆技術(shù)制備的非晶涂層，本文主要研究了影響鐵基非晶涂層性能的工藝參數(shù)。

1 涂層厚度對鐵基非晶涂層性能的影響

鐵基非晶合金是目前應(yīng)用最為廣泛的涂層，其具有良好的化學、物理和力學性能，生產(chǎn)成本較低[4-6]。激光熔覆技術(shù)是制備鐵基非晶涂層的有效方法，在利用激光熔覆技術(shù)制備Fe40N36Cr2Si8B14非晶涂層時，Si和B兩種元素的含量因燒損而降低，導(dǎo)致非晶和微晶并存。人們可以利用AISI1045鋼制備1.2 mm非晶涂層，其硬度可以達到1 270HV，耐腐蝕性良好;可以利用304L鋼制備非晶復(fù)合涂層，涂層由非晶相和晶相組成，非晶相的沉積層數(shù)與其硬度、耐磨性呈正比;可以利用4130鋼制備非晶復(fù)合涂層，非涂層冷卻造成非晶相和晶相并存，其耐腐蝕性強。

2 激光熔覆工藝參數(shù)對鐵基非晶涂層性能的影響

有研究以304L鋼為原材料，采用預(yù)置粉末法制備非晶涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當激光掃描速率達到400 mm/min，晶化溫度為790～830 K時，非晶相和其他金屬化合物組成的非晶涂層耐磨性最佳[7]。另外，激光功率直接影響非晶涂層性能，非晶涂層的稀釋率與激光功率呈正比，而涂層硬度與激光功率呈反比。當激光功率達到1 050 W時，人們可以獲得硬度最佳的涂層（硬度為基材的5倍）。

戴文攀等利用45鋼開展激光熔覆試驗，制備Fe60Nb20Ti20非晶涂層，研究了激光功率、掃描速率和涂層厚度三個工藝參數(shù)對鐵基非晶涂層性能的影響[8]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層缺陷的成因有二，一是激光功率低，非晶粉末熔量少，二是激光功率高，溫升較大。所以，人們要提升激光掃描速率來降低涂層缺陷，但是掃描速率過低會造成涂層稀釋度下降，導(dǎo)致涂層產(chǎn)生裂紋，降低涂層性能。另外，涂層厚度過小，會影響涂層的均勻度，涂層厚度過大，會影響冶金結(jié)合效率。

3 微量合金元素的種類和含量對鐵基非晶涂層性能的影響

添加適當?shù)奈⒘亢辖鹪厥翘嵘蔷繉有阅艿挠行Х椒?。Zhang等人將不同比例的硅元素添加到Fe32Ni32Si16B18Nb2、Fe31Ni31Si18B18Nb2和Fe30Ni30Si20B18Nb2三種非晶復(fù)合涂層中，最終獲得不同性能的涂層[9]。試驗結(jié)果表明，當硅原子的比例為18%時，人們可以獲得最大非晶比例的涂層，涂層耐磨性最佳。另外，在使用低碳鋼制備非晶涂層時，人們可以添加不同比例的碳元素，使其生成NbC硬質(zhì)相，提升涂層的硬度性能。當碳元素比例為17%時，涂層硬度最高（1 240 HV），是鐵基體的6倍。

4 激光熔覆非晶涂層的制備工藝優(yōu)化

非晶涂層的非晶含量與激光熔覆工藝參數(shù)有較大的關(guān)系[10]。起初，隨著激光功率的增加，非晶涂層的非晶含量會逐漸升高;當非晶含量達到峰值后，隨著激光功率的增加，非晶含量會逐漸減少，從而影響非晶形成的效果。過高的激光功率會造成涂層稀釋率過大而降低非晶含量，過低的激光功率會造成非晶不均勻。激光掃描速率也是影響非晶涂層性能的重要因素。多數(shù)學者認為，提高激光掃描速率，可以提升非晶含量;少數(shù)學者認為，提高激光掃描速率會減少熔池凝固時間，造成合金元素不能充分擴散，脫離非晶形成范圍，降低非晶形成比例。

5 結(jié)論

激光熔覆技術(shù)是制備非晶涂層的有效方法，本文主要研究了涂層厚度、激光熔覆工藝參數(shù)、微量合金元素的種類和含量對鐵基非晶涂層性能的影響。目前，人們很少研究預(yù)置粉末的厚度和同步送粉速率對非晶涂層性能的影響，其值得深入探究。另外，人們可以從微觀方面入手，優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，準確控制復(fù)合涂層的非晶相形成比例，同時研究其他元素添加比例對非晶涂層性能的影響。

參考文獻：

[1]Inoue A，Takeuchi A.Recent development and application products of bulk glassy alloys[J].Acta Materialia，2011（6）：2243-2267.

[2]Greer A L.Physical Metallurgy[M].Amsterdam：Elsevier，2014.

[3]Louzguine-Luzgin DV，Inoue A.Handbook of Magnetic Materials[M].Ams-terdam：Elsevier，2013.

[4]張志彬，梁秀兵，陳永雄，等.熱噴涂工藝制備鋁基非晶態(tài)合金材料研究進展[J].材料工程，2012（2）：86-90.

[5]Axinte E.Metallic glasses from “alchemy” to pure science：Present and future of design，processing and applications of glassy metals[J].Materials and Design，2012（35）：518-556.

[6]Balla VK，Bandropanhyay A.Laser processing of Fe-based bulk amorphous alloy[J].Surface & Coatings Technology，2010（7）：2661-2667.

[7]魯青龍，王彥芳，栗荔，等.掃描速度對激光熔覆鐵基非晶復(fù)合涂層的組織性能影響[C]，華東六省一市熱處理年會，2012.

[8]戴文攀，唐翠勇，汪明文，等.激光熔覆Fe60Nb20Ti20非晶合金粉末及組織性能研究[J].材料導(dǎo)報，2015（10）：100-104.

[9]Zhang PL，Li ZG，Yao C W，et al.Amorphization of Fe-Ni Based Alloys by Laser Cladding and Remelting[J].Advanced Materials Research，2010（97）：1420-1424.

[10]郭遠志.等離子噴涂鐵基非晶合金涂層的組織及性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.