激光熔覆Fe基非晶合金涂層的研究現狀達則

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，如調整成分、加入特殊元素、調整工藝參數、激光熔覆+重熔等。

關鍵詞：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異性能，且其主成分Fe較常見也廉價，而成為非金合金中最具潛在價值且發展較快的合金之一。鑒于其優勢，結合激光熔覆技術功率密度高、加熱/冷卻速度快等特點，使得激光熔覆Fe基非晶合金涂層已成為備受關注的研究熱點。目前，采用激光熔覆技術，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+結晶相的復合涂層[1]。為控制涂層中結晶相的形成，獲得非晶相含量盡可能高的Fe基非晶合金涂層，研究者進行了大量試驗。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、短程序只在幾個晶格范圍內存在、結構缺陷甚少及原子間鍵能較高等特點，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生滑移，因而具有較高的強度、硬度及優異的耐摩性。如Fe-Co-B-Si-Nb系Fe基非晶合金具有約為4GPa的屈服強度[2]。

2.2 耐腐蝕性能

Fe基非晶合金的微觀結構中少有晶界、位錯及層錯等缺陷，且成分不存在偏析的現象，使得Fe基非晶合金因結構和成分的均勻而具備了優異的耐腐蝕性能。如Fe-Cr-P-C系Fe基非晶合金的耐腐蝕性能遠優于304不銹鋼[3]。

2.3 磁學性能

Fe基非晶合金因結構均勻，沒有晶界、沉淀相及雜質等的釘扎作用，使得其具有優異的軟磁性能。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行了廣泛研究，并取得了顯著成果。所得涂層以非晶相與結晶相相結合的復合涂層為主。研究過程中，為控制涂層中結晶相的形成，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行試驗。

3.1 調整成分

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，結合試驗特點，進行適當調整，以獲得更適應激光熔覆試驗環境的成分配比。該類成分在激光熔覆過程中不僅能與基體實現良好的冶金結合，還具有較強的非晶形成能力（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，結果表明，Si含量為16%時的GFA最強[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，除了對基礎成分進行調整外，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 調整工藝參數

激光熔覆過程具有眾多的工藝參數，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。這些參數并不是獨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增加涂層的稀釋率，使涂層成分偏離名義成分，還會降低涂層的冷卻速度，這兩方面均會導致非晶合金的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合，從而導致涂層容易脫落。

對于不同的熔覆設備和熔覆材料，工藝參數的影響差異較大。因此，在確保涂層宏觀質量的前提下，要獲得非晶相含量高的Fe基非晶合金涂層，需針對不同設備、不同材料，設計不同的工藝參數組合。通過調整并優化工藝參數，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+重熔是首先進行激光熔覆，形成涂層后，再用激光對涂層進行更加快速的掃描，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下進行，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 結束語

研究表明，可通過調整成分、加入特殊元素、調整工藝參數、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境在激光熔覆過程中的變化異常復雜，目前要在涂層宏觀質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應用上的盡早實現。

參考文獻

[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.

[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].焊接學報，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基非晶復合涂層的影響[J].焊接學報，2008，29（2）：57-60.

[7]達則曉麗，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.