非晶涂层的激光制备研究现状

采用激光工艺制备非晶涂层或非晶复合涂层是一种集合激光快速加热和快速冷却特点和非晶合金的各自优势为一体的一种新型表面加工技术，近年来受到了广泛的关注。到目前为止国内外表面工程领域学者采用激光技术试图采用不同的非晶合金体系在多种晶态材料基材表面，并基于不同的制备工艺成功开展了非晶涂层或非晶复合涂层的制备。

对于Zr基非晶合金或是针对活性较高的基体（Mg或Ti等），1997年Carvalho［50］等用CO2激光器，采用激光熔覆和激光重熔相结合的技术，在全惰性气体保护仓内制备了Zr-Al-Ni非晶熔覆层，研究结果发现，所得熔覆层的非晶含量较高，熔覆层和基体结合紧密，并且熔覆层具有优异的耐蚀性。2003年，李刚［51］借助氩气保护罐，采用预涂粉末的方式，通过激光熔化制备了锆基非晶合金熔覆层，并掺和一定比例的C、B、Si组元，实验结果发现，通过元素的添加有利于非晶熔覆层的形成，同时增加熔覆层的硬度和耐磨性能。2007年，T.M. Yue［52］等在惰性气体保护仓内用气体激光，在Mg基体上制备了锆基非晶复合熔覆层，也实现了硬度和耐磨性的提高。2009年，Matthews［53，54］等采用YAG激光熔覆和激光重熔两步法，在钛合金表面制备了Cu47Ti33Zr11Ni6Sn2Si1非晶熔覆层。前述非晶合金体系具有共同的特征即都含有与空气亲和力强的Zr、Ti或Mg等元素，因此为避免这些元素的烧损，保证所获得的熔覆层和名义成分相近，需在惰性气体保护仓中或采用激光熔覆+激光重熔两步法进行非晶熔覆层制备。另外，有时采用预涂粉的方法，更加使制备过程复杂化，使得其实际应用受到很大的限制。

近年来，关于在传统钢材表面制备镍基、铁基或钴基熔覆层的研究逐渐增多。由于碳钢、合金钢和不锈钢等材料仍然是绝大部分工业设备和零部件的制作材料，因此在这些材料表面制备非晶合金熔覆层具有更高的实用性。另外，制备所得镍基、铁基、钴基或镍铁基（铁镍基）非晶合金熔覆层一般具有和碳钢、合金钢或不锈钢等基体热膨胀系数相近、熔点相近和润湿性高等特性。因此，Ni基、Fe基或钴基合金体系更受到国内外学者重视，近年来针对这些合金体系非晶熔覆层的制备也最多［55-62］。

Zhu［63］等采用预置粉末的方法通过激光熔覆和重熔两步法的制备方法成功沉积了Fe-Ni-Si-B-V非晶复合熔覆层，研究了熔覆参数和稀土RE的加入时熔覆层性能的变化，结果表明，稀土元素的掺入使得Fe-Ni-Si-B-V合金的玻璃形成能力得到提高，从而形成非晶熔覆层。同时，其研究结果也表明，通过激光工艺可以在钢表面熔覆铁基非晶复合熔覆层，并且发现熔覆层具有较高的显微硬度和摩擦磨损性能。

Reza Mojavera［64］采用脉冲激光熔覆制备出Fe49Cr18Mo7B16C4Nb3非晶熔覆层，研究了参数对其熔覆层性能的影响。虽然增加激光扫面速度和冷却速度能促使非晶的形成，但是可能导致硼化物全部熔化和熔覆层厚度的变薄，同时也可能产生裂纹、孔洞以及元素的蒸发；另外，研究发现，当扫描速度在8m/min时，硬度达到最大为1223HV，高的硬度从而优化了表面的耐腐蚀性能。

A.Basu［65］等采用具有较高非晶形成能力的Fe48Cr15Mo14Y2C15B6非晶合金粉末，采用固体激光器激光熔覆技术在传统低碳钢基体制备了铁基熔覆层。对其熔覆层进行扫描电镜与XRD的分析，尽管优化了各种参数以及进行对熔覆层进行多层熔覆，但是实验结果表明，熔覆层中并未出现非晶合金。但是在一定的参数条件下，其耐蚀性与耐磨性都有明显的改善，另外，基体的硬度由240HV增加到950HV。

Zhang［66］等采用大功率气体激光熔覆和重熔的两步法工艺，在低碳钢表面上制备了以Fe-Ni为基的非晶复合熔覆层。说其为复合熔覆层，主要是由于在其XRD图谱同时出现漫散射峰和尖锐衍射峰，也就是说非晶相与晶体相在熔覆层中同时存在。作者还就Si元素含量对非晶熔覆层结构的影响进行了研究。另外，显微硬度试验表明，其所制备的Fe-Ni非晶复合熔覆层的显微硬度可达1369HV。

Yanyan Zhu［67］等利用Fe-Co-B-Si-C-Nb粉末基于大功率半导体激光熔覆技术，在低碳钢表面制备了非晶复合熔覆层，此过程是在氩气保护下完成的。研究也同样表明，作者所制备的熔覆层具有优异的耐腐蚀性能，其显微硬度最大值为1245HV。

图1-5 熔覆层经重熔后的截面宏观形貌

P.Gargarella［68］等采用激光熔覆加激光重熔的工艺在低碳钢AISI1020基体上制备了铁基非晶熔覆层，通过力学性能的研究，显微硬度测量结果显示在熔覆后重熔层的热影响区最高，数值为1250HV。但是在重熔层发现了裂纹的形成，如图1-5所示。

对于Ni基非晶熔覆层，G.Y.Liang［69］等采用等离子喷涂和激光重熔相结合的工艺成功制备了Ni-Cr-Al非晶复合熔覆层，结果发现非晶相的形成使得熔覆层中的硬质颗粒相得到良好维持，从而耐磨性得到提高，并且改善了熔覆层耐蚀性。李刚等［70］采用Ni60Zr20Nb15Al5合金粉末基于激光熔覆技术制备了镍基非晶复合熔覆层。结果表明，由于晶体结构和非晶结构的共同存在，使得熔覆层的硬度显著提高，其值为796.4HV。另外，实验表明熔覆层中非晶相的存在可以在一定程度上提高其耐腐蚀性能。

Jiang［71］等人使用Ni-Zr-Ti-Si-Sn-Nb合金粉末，在高纯惰性气体保护仓内，采用激光熔覆技术在钛合金基体上制备了镍基非晶复合熔覆层。DSC检测结果表明熔覆层热稳定性高。并测得在距熔覆层顶端2mm处得到的非晶致密且含量最高，同时具有很高的显微硬度，数值为827.95HV。同时Wang［72］等也采用激光熔覆工艺成功获得了Ni-Zr-Al非晶复合熔覆层，其硬度也得到了较大的提升，最大值可达930HV。

T.M.Yue［73］等利用激光熔覆技术制备了Zr65Al7.5Ni10Cu17.5熔覆层，为了改善镁基的耐腐蚀性和耐磨性，在非晶熔覆层中引入了Si C颗粒相，Si C的存在也提高了非晶熔覆层的硬度。之后，Huang［74］等为了增加AZ91D镁合金的耐腐蚀性能，在激光熔覆Cu基非晶合金的同时，也在熔覆层中引入了硬质颗粒相SiC。同时，SiC颗粒的掺加，还提高了熔覆层的热稳定性，熔覆层的非晶形成能力得到提高。另外，由于SiC的分解与非晶合金中的其他元素形成了硅化物，导致熔覆层的显微硬度和耐磨性也得到大大的改善。

Shu［75］等采用多道熔覆的方式在Q235钢表面制备了钴基非晶涂层，采用的粉末为市购FCo-06钴基粉末，研究结果发现所获得涂层中非晶的比例可达到约85.1%，并且离界面10μm的距离以后涂层中即获得了非晶相。研究结果还表明通过La元素（与Nb、Zr相似）的添加可以增加非晶的过冷液相区间到44℃。