镍基非晶复合涂层的半导体激光制备及表征
Synthesis and Characterization of Ni-Based Amorphous Composite Coating Using Diode Laser Processing

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面工程技术.它是集激光加热熔化、熔池中物质交互作用及快速凝固成形等多学科交叉的一门新技术.而激光熔凝(激光重熔)处理是用较高功率密度的激光束,在金属或合金表面扫描,使表层金属熔化,随后快速冷却凝固.冷却速率通常为102~106K/s,有时甚至能达到1012K/s,从而得到细微的接近均匀的表层组织.因此利用激光熔覆获得稀释率极低的熔覆层,使得非晶合金体系的成分得到保证,再利用激光重熔产生的大凝固速度使得在传统晶体材料的表面制备非晶涂层成为可能.本文在低碳钢表面通过半导体激光熔覆+重熔的工艺制备了镍基非晶纳米晶复合涂层,主要研究内容有:Ni-Fe-B-Si-Nb非晶合金体系的成分设计与制备,涂层的显微组织和相结构的演变规律和形成机制,以及涂层硬度分布和耐磨性能的表征.主要研究成果如下:针对Ni-Fe-B-Si-Nb合金体系,基于判断非晶形成能力三条经验准则和共晶点准则进行了混合焓、归一化错配熵的计算和相图分析,在此基础上初步设计了合金成分范围.并结合合金元素含量对涂层非晶形成能力影响的试验研究,最终确定了适合采用激光熔覆+重熔制备非晶复合涂层的合金粉末成分为(Ni0.6Fe0.4)68B18Si10Nb4(原子百分比),此时所得激光重熔涂层具有相对最大的非晶体积含量.系统研究了激光熔覆和激光重熔参数变化对重熔涂层非晶体积含量的影响.发现激光功率密度会影响稀释率,随激光功率密度的增加,熔覆层的熔深增加,熔池搅拌作用增强,稀释率也会提高.稀释率较低时,熔覆层内的成分和名义成分接近,因此在重熔层内获得了较大体积含量的非晶组织,而当稀释率较大时,导致重熔层内非晶含量降低,甚至不能形成非晶.在保证熔覆层成分接近名义成分的基础上,随激光功率密度的增加,熔覆层的组织和成分更加均匀,在激光重熔后,重熔层的非晶体积含量也随之增加.重熔时激光扫描速度为4m/min和5m/min时,重熔层内基本无非晶相生成,速度为6m/min时重熔层内开始形成非晶,随重熔时激光扫描速度的进一步增加,重熔层非晶含量也随之升高,当激光重熔扫描速度为9m/min时,重熔层内的非晶体积含量为64%.观察和分析了激光重熔层的组织分布,发现激光熔覆功率密度为12100W/cm2,扫描速度为0.36m/min,激光重熔功率密度为53000W/cm2,扫描速度大于6m/min(含)可在重熔层内获得非晶相,8m/min时,其重熔层组织主要为非晶相和NbC颗粒相,在其他参数条件下(非晶含量降低时),重熔层内还可能形成等轴晶、纳米晶相及枝晶相和非晶相的混合组织等.计算了(Ni0.6Fe0.4)68B18Si10Nb4合金涂层在激光重熔时的热循环曲线,并结合热力学、动力学对激光熔覆+重熔条件下的非晶相形成特点及机制进行了探讨.结果表明,采用激光熔覆+重熔获得镍基非晶复合涂层的临界冷却速率约为10118.8K/s,高于相同成分的镍基合金在采用铜模吸铸制备大块非晶时的临界冷却速率.认为出现这一现象的主要原因是:热力学方面,在熔覆层/重熔层界面处会出现部分熔化区,以及在重熔层内部存在NbC颗粒相,都可以作为异质形核的基底,其形核自由能会降低,有利于形核,必须继续增加冷却速率才能防止晶体形核及晶粒长大行为的产生.动力学方面,由于采用激光重熔工艺,在激光重熔时会产生不可忽视的熔体流动和溶质迁移行为,加速了元素的长程扩散,因此也必须通过提高激光扫描速度(熔体冷却速率),降低熔体表面张力梯度和高温停留时间,来提高其非晶形成能力.系统测试了(Ni0.6Fe0.4)68B18Si10Nb4合金激光熔覆+重熔涂层的显微硬度分布及耐磨性能.显微硬度测试结果表明在涂层截面上由表及里显微硬度值逐渐降低,在重熔层内其显微硬度值最大,并且随重熔层内非晶含量的增加,显微硬度值不断提高.激光重熔涂层的平均硬度和弹性模量分别为1227.9HV和277.4GPa,高于相同合金体系的大块非晶合金,探讨了重熔涂层的强化机制.摩擦磨损试验结果表明随摩擦转速、载荷以及摩擦时间的增加,涂层的失重逐渐增加.摩擦系数随载荷的增加呈减小的趋势.针对(Ni0.6Fe0.4)68B18Si10Nb4合金激光熔覆涂层、激光重熔涂层(非晶复合涂层)以及大块非晶,H3/E*2比值可以反映对其耐磨性影响的变化规律,随H3/E*2比值的增加,耐磨性得到提高.重熔涂层非晶含量增加时,涂层耐磨性能也得到提高.