激光熔覆Fe基非晶合金涂层的研究现状达则

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摘 要：文章介绍了Fe基非晶合金的主要性能，并从非晶形成能力（GFA）方面着手，探讨了激光熔覆fe基非晶合金涂层的研究现状。表明了目前激光熔覆Fe基非晶合金涂层的研究中，为控制结晶相的形成，获得高非晶含量的涂层，而采用的几种主要方式，如调整成分、加入特殊元素、调整工艺参数、激光熔覆+重熔等。

关键词：Fe基非晶合金；非晶形成能力；激光熔覆；涂层

1 概述

Fe基非晶合金因具备众多优异性能，且其主成分Fe较常见也廉价，而成为非金合金中最具潜在价值且发展较快的合金之一。鉴于其优势，结合激光熔覆技术功率密度高、加热/冷却速度快等特点，使得激光熔覆Fe基非晶合金涂层已成为备受关注的研究热点。目前，采用激光熔覆技术，可获得具有一定非晶含量的Fe基非晶合金涂层，涂层通常为非晶相+结晶相的复合涂层[1]。为控制涂层中结晶相的形成，获得非晶相含量尽可能高的Fe基非晶合金涂层，研究者进行了大量试验。文章介绍了目前的研究中为提高涂层的非晶形成能力（GFA）而常用的几种主要方式。

2 Fe基非晶合金的主要性能

2.1 力学性能

Fe基非晶合金因具有原子排列长程无序、短程序只在几个晶格范围内存在、结构缺陷甚少及原子间键能较高等特点，使得其在外力作用下，不易像晶体材料那样沿着特定晶面发生滑移，因而具有较高的强度、硬度及优异的耐摩性。如Fe-Co-B-Si-Nb系Fe基非晶合金具有约为4GPa的屈服强度[2]。

2.2 耐腐蚀性能

Fe基非晶合金的微观结构中少有晶界、位错及层错等缺陷，且成分不存在偏析的现象，使得Fe基非晶合金因结构和成分的均匀而具备了优异的耐腐蚀性能。如Fe-Cr-P-C系Fe基非晶合金的耐腐蚀性能远优于304不锈钢[3]。

2.3 磁学性能

Fe基非晶合金因结构均匀，没有晶界、沉淀相及杂质等的钉扎作用，使得其具有优异的软磁性能。如Fe-B-Si-Nb系Fe基非晶合金[4]。

3 激光熔覆Fe基非晶合金涂层

为在性能较差的金属表面获得性能优异的Fe基非晶合金，研究者在激光熔覆Fe基非晶合金涂层方面进行了广泛研究，并取得了显著成果。所得涂层以非晶相与结晶相相结合的复合涂层为主。研究过程中，为控制涂层中结晶相的形成，尽可能提高非晶相的含量，从而获得具有期待性能的涂层，常通过以下几方面来进行试验。

3.1 调整成分

目前，激光熔覆Fe基非晶合金涂层所用的熔覆材料主要为制备大块Fe基非晶合金的体系，以此为基础，结合试验特点，进行适当调整，以获得更适应激光熔覆试验环境的成分配比。该类成分在激光熔覆过程中不仅能与基体实现良好的冶金结合，还具有较强的非晶形成能力（GFA），可获得非晶相含量高且较牢固的Fe基非晶合金涂层。如朱庆军等在AISI 1045钢表面激光熔覆了Fe-Ni-Si-B系非晶合金涂层，研究了Si含量对GFA的影响，结果表明，Si含量为16%时的GFA最强[5]。

3.2 加入特殊元素

在激光熔覆Fe基非晶合金涂层过程中，除了对基础成分进行调整外，加入少量多种组元或适量特殊元素（如稀土RE），也可在一定程度上提高材料的GFA。如朱庆军等通过激光熔覆Fe-Ni-Si-B-V-M系非晶合金涂层，研究了少量多种组元M（含Al、Ti、Mo、C）的添加对GFA的影响，结果表明，少量多种组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 调整工艺参数

激光熔覆过程具有众多的工艺参数，其中，对制备Fe基非晶合金涂层影响最大的主要有激光功率、熔覆速度、送粉速度等。这些参数并不是独立影响涂层的某一方面，而是具有一定的相互制约性。如过高或过低的激光功率均不利于理想涂层的获得，激光功率过高不仅会增加涂层的稀释率，使涂层成分偏离名义成分，还会降低涂层的冷却速度，这两方面均会导致非晶合金的GFA降低；而过低的激光功率则可能使涂层不能与基体牢固结合，从而导致涂层容易脱落。

对于不同的熔覆设备和熔覆材料，工艺参数的影响差异较大。因此，在确保涂层宏观质量的前提下，要获得非晶相含量高的Fe基非晶合金涂层，需针对不同设备、不同材料，设计不同的工艺参数组合。通过调整并优化工艺参数，可提高非晶合金的GFA，最终获得高非晶相含量的Fe基非晶合金涂层[8]。

3.4 激光熔覆+重熔

激光熔覆+重熔是首先进行激光熔覆，形成涂层后，再用激光对涂层进行更加快速的扫描，使涂层重新融化并极速冷却凝固。该方式通常在惰性气体的保护下进行，其主要通过提高冷凝速度来提高非晶合金的GFA，最终获得高非晶相含量的Fe基非晶合金涂层。

4 结束语

研究表明，可通过调整成分、加入特殊元素、调整工艺参数、激光熔覆+重熔等方式，激光熔覆出非晶相含量高的Fe基非晶合金涂层。然而，因涂层不同位置的成分及凝固环境在激光熔覆过程中的变化异常复杂，目前要在涂层宏观质量良好的前提下获得均匀且完全的Fe基非晶合金涂层仍存在较大难度。因此，这方面的突破，将有助于Fe基非晶合金涂层在工业应用上的尽早实现。

参考文献

[1]王彦芳，栗荔，鲁青龙，等.不锈钢表面激光熔覆铁基非晶涂层研究[J].中国激光，2011，38（6）：1-4.

[2]Inoue A.，Shen B. L..Super-high strength of over 4000 MPa for Fe-based bulk glassy alloys in [（Fel-xCox）0.75B0.2Si0.05]96Nb4 system[J]. Acta. Mater.，2004，52：4093-4099.

[3]Jones H..Rapid solidification of metals and alloys[M].London： Inst. of Metallurgists，1982.

[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]朱庆军，邹增大，王新洪，等.激光熔覆Fe-Ni-Si-B非晶层的形成能力[J].焊接学报，2007，28（9）：91-94.

[6]朱庆军，邹增大，王新洪，等.稀土RE对激光熔覆Fe基非晶复合涂层的影响[J].焊接学报，2008，29（2）：57-60.

[7]达则晓丽，朱彦彦，李铸国.激光功率对激光熔覆Fe-Co-B-Si-Nb涂层组织和性能的影响[J].中国表面工程，2012，25（3）：52-56.