纳米压痕测试

图2-27为Ni-Fe-B-Si-Nb激光熔覆涂层（Clad，激光功率密度为12100W/cm2，扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min）、激光重熔后所得涂层（Remelted，激光功率密度为53000W/cm2，扫描速度为8m/min）及铜模吸铸所得大块非晶（BMG）在载荷为125mN，加载速率为250mN/min时获得的完整载荷位移曲线。由图2-27可以看出，重熔层的最大位移要比未重熔涂层小得多，加载曲线和卸载曲线围成区域的面积也在减小；说明在加载过程中，涂层的塑性变形量减小［88-90］。而铜模吸铸所得大块非晶的压痕深度处于激光熔覆涂层和激光重熔涂层之间，略低于激光重熔涂层。通过计算得出重熔涂层的显微硬度为1271.9HV，弹性模量为280.2GPa；熔覆层的显微硬度和弹性模量分别为752.01HV，弹性模量为205.74GPa。大块非晶的显微硬度和弹性模量分别为1121.1HV和246.3GPa。可以看出，经激光重熔后的非晶复合涂层的显微硬度和弹性模量远远大于未重熔的熔覆层，并且也大于大块非晶。

图2-27 Ni-Fe-B-Si-Nb熔覆层及重熔层的纳米压痕载荷位移曲线

激光熔覆+重熔所获得的主要由非晶和NbC相组成的复合涂层具有较高的硬度和弹性模量。这主要是由于两个方面原因。首先，在激光重熔过程中，由于重熔后的快速凝固，其固溶的合金元素比常规采用铜模吸铸获得的大块非晶合金更高。其次，在本节的研究体系中，含有大原子半径的Nb元素，在非晶复合涂层制备过程中，形成NbC相，具有更高的硬度和弹性模量（硬度约为18～24GPa，弹性模量为340～400GPa［91］）。而第二相颗粒存在会起到提高基体强度和弹性模量的效应。根据材料强化理论，NbC颗粒对基体的沉淀强化作用可由Ashby-Orowan方程求出［92］，同时NbC颗粒对合金弹性模量贡献的定量表达式为［93］

式中：E0为合金的弹性模量；E1、α1分别为基体相的弹性模量和体积分数；E2为第二相颗粒的弹性模量；1-α1为第二相颗粒的体积分数。由于非晶复合涂层中的第二相颗粒为NbC相，其弹性模量E2大于基体的弹性模量E1，因此根据式（2-7）可得出，当非晶复合涂层中存在第二相颗粒时，其弹性模量E0会增加。

其次，获得的激光重熔涂层除获得非晶相和NbC相以外，还存在一定含量的纳米晶。而大量研究已经表明，在非晶相基体内弥散分布纳米晶相有利于提高非晶的机械性能［94-96］。例如，Inoue等发现在Zr-Al-Ni-Cu（Ag或Pd）大块非晶合金中分布着纳米准晶颗粒时，非晶的机械性能得到很大提高，包括高的拉伸、压缩强度及硬度、大的延伸率等［94］。Eckert等的研究也表明当大块非晶合金含有纳米晶时，其强度及韧性得到了明显增加［95］。Misra等发现通过热处理在非晶合金中引入纳米晶颗粒可以有效提高其刚度和强度［96］。

图2-28 Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层纳米压痕SEM形貌

图2-28中SEM照片为非晶复合涂层的压痕形貌，在压头的周围，没有出现裂纹，说明涂层具有良好的韧性，另外在压痕的边界，没有出现大量的剪切带，这是由涂层材料的本身脆性本质决定的，另外合金中非金属元素原子的含量比较高，使合金中离子键的数量增多，也不利于塑性变形的进行。需要指出的是，由于使用了相对比较大的载荷，单个压痕中同时含有非晶相和NbC颗粒相，因此所得的纳米压痕测试结果是材料多种相共同作用的结果。

为了精确测量和了解涂层内部硬度和弹性模量的分布情况，对涂层截面进行了5×5个压痕点阵的测量，同时为了避免相邻压痕之间的相互影响，点阵间距设定为5×5μm。纳米压痕试验后，所得压痕点阵分布及形貌如图2-28所示。图2-29和图2-30分别给出了Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层的显微硬度和弹性模量的三维和二维平面分布。从图2-29和图2-30中可以看出， Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层在整个压痕区域内保持较高的硬度和当量弹性模量，且分布较为均匀。采用激光熔覆+重熔制备的Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层，由于用到了先后两种激光加工工艺，而这两种工艺都会在激光加工过程中存在由于熔池不同位置温度差异而导致的熔池搅拌作用，因此使得涂层的成分分布相对是比较均匀的，形成了非晶相组织。并且，非晶态合金具有的特点也是没有明显的结构缺陷，包括晶界、孪晶、晶格缺陷、位错、层错等，因此导致在压痕区域的纳米压痕硬度和弹性模量分布比较均匀。

图2-29 Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层的显微硬度分布

（a）三维形貌 （b）平面分布

图2-30 Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层的当量弹性模量分布

（a）三维形貌 （b）平面分布

为考察Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层显微硬度与弹性模量分布的均匀性，对显微硬度和弹性模量的标准差进行了计算和分析。标准差的计算公式可表示为［96］

式中：N为纳米压痕试验的总次数；μ为显微硬度或弹性模量的平均值。计算可得，非晶复合涂层的显微硬度和弹性模量的平均值分别为1227.9HV和277.4GPa，标准差分别为53.8HV和14.6GPa。显微硬度和弹性模量的标准差与原有平均值的比值分别为4.4%和5.3%，说明非晶复合涂层显微硬度和弹性模量的分布非常均匀。

图2-31为经不同激光扫描速度重熔后的重熔层纳米压痕载荷曲线图。随着激光重熔速度的增加，压痕的最大位移逐渐减小，加载曲线和卸载曲线围成区域的面积也在减小；说明在加载过程中涂层的显微硬度逐渐增加。表2-5为不同激光扫描速度所得重熔涂层显微硬度及弹性模量的纳米压痕测试结果。由表2-5可以发现，随着重熔扫描速度的增加，涂层的显微硬度和弹性模量都呈上升趋势。

图2-31 不同重熔扫描速度所得重熔层截面纳米压痕位移载荷曲线

表2-5 激光熔覆层、重熔层和大块非晶的平均显微硬度、弹性模量值