不同稀释率下熔覆层物相的分析

图3-7是在相同扫描速度（64mm/s）不同激光功率（功率分别时3500W、3600W、3700W和3800W）制备激光熔覆层获得的X射线衍射图谱。由X射线衍射图谱可以看出，在激光功率为3500W时，在熔覆层的2θ（40°～50°）处发现有宽化的漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD图谱，说明在熔覆层中出现了非晶组织，并且在宽化的漫散射峰上镶嵌着尖锐的晶体衍射峰，用软件Jade进行标定，表明晶体相分别为γ（Fe，Ni），Fe2B、NbC以及少量的FeSi和Nb4Cr7Si8相，说明制备的熔覆层中同时存在非晶相和晶体相，属于非晶复合熔覆层。同时由Jade分析也证明前文所述的白色颗粒相为NbC相。在本节研究中所获得的NbC颗粒，主要认为是在粉末的制备过程中获得的，NbC相在激光加热的作用下可能发生分解，并与熔覆层中的其他元素发生反应形成新的含Nb相。此外，从XRD衍射图中还可看出，随着激光功率的增大，其宽化的漫散射峰逐渐减弱，晶化峰变得更尖锐。另外，采用Verdon方法对非晶的体积含量进行统计，其结果如表3-2所示，由表3-2也可以说明，非晶含量随着激光功率的增加呈下降趋势，当激光功率为3500W时为68%，而在功率为3800W时降到34%。由此可以得出结论，当速度达到一定数值时且保持不变时，随着激光功率的增加，稀释率增加，熔池的搅拌作用增强，熔覆层的成分受到严重破坏，远远偏离粉末的名义成分，导致熔覆层中非晶的含量呈下降趋势。

图3-7 不同功率熔覆层X射线衍射图谱

表3-2 不同激光功率时熔覆层的非晶含量

图3-8 熔覆层截面的微观组织（扫描速度为64mm/s，激光功率为3600W）

为进一步确定激光熔覆层中各种物相的存在，对熔覆层中的组织进一步开展了微观观察和分析。图3-8是在激光功率为3600W，扫描速度为64mm/s时获得的熔覆层中部位置的微观组织形貌，放大倍数为10000倍。由图3-8可以看出，在更大的放大倍数下观察到熔覆层的组织主要由没有晶界的深灰色基体、少量的等轴晶以及白色颗粒相组成，没有晶界的组织认为是非晶相，白色颗粒相是制备粉末时原位生成的NbC白色颗粒相。因此在更高的倍数下也证明激光熔覆制备的熔覆层组织主要由晶体相、非晶相以及白色颗粒相共同构成。

对前述熔覆层进行透射电镜分析，结果如图3-9所示。图3-9分别给出熔覆层组织的明场像及其选区衍射斑点（包括非晶相和晶体相）。图3-9（b）是图3-9（a）中A区的衍射斑点，经过标定可以得出，A区衍射斑点为两个相的嵌套，结合XRD分析结果分别标定为FeNi相和Nb4Cr7Si8相，并且可以确定FeNi相为简单立方晶体结构，Nb4Cr7Si8相为简单正交晶体结构。图3-9（c）是图3-9（a）中B区的衍射斑点，选区电子衍射花样的特点为中心有一漫散的中心斑点及漫散射环，这种衍射斑点是非晶态的典型特征，因此可再一次证明激光熔覆使熔覆层中获得了非晶相，也就是说获得了非晶复合熔覆层。图3-9（e）是图3-9（d）中C区衍射斑点，对该衍射斑点进行标定，证明该白色区域晶体相为FeSi相，其晶带轴为［013］，且为简单立方晶体结构。

图3-9 激光熔覆层截面组织的TEM观察结果（扫描速度为64mm/s，激光功率为3600W）

（a）明场像1 （b）A区电子衍射 （c）B区电子衍射 （d）明场像2 （e）C区电子衍射

为进一步观察激光熔覆层中NbC颗粒的存在形式，对在激光功率为3600W，扫描速度为64mm/s时获得的熔覆层截面不同区域进行TEM测试以及选区衍射斑点和EDS分析。图3-10（a）是熔覆层组织的TEM照片，从图可以看出熔覆层中大部分组织比较均匀，微观组织衬度很均一，另外发现有相貌为方形的白色颗粒相镶嵌在熔覆层中，如图3-10（a）中标注区域A，并对此区域进行EDS分析，结果如图3-10（c）所示，此区域的主要为元素Nb，对该区进行选取电子衍射，其衍射斑点如图3-10（b）所示，结合XRD分析结果可知，其白色颗粒相为NbC。由于元素C和Nb之间存在很强的亲和力，以及制备粉末时制备工艺的局限性，认为该相的存在是来源于原粉末中，并且根据Nb-C二元合金相图可知，该相的熔点较高其值为3600℃，即使在很高的能量密度激光熔覆过程中，很难将其熔化，因此在制备非晶复合熔覆层中不可避免会存在该相。

另外，对图3-10（a）中标定的区域A进行电子衍射分析，图3-10（b）是A区白色颗粒相晶带轴［013］的电子衍射花样，NbC为面心立方点阵对称结构，其界面能和原子结合能为高度的各向同性特征，所以晶体在各个方向的生长速度基本一致，因此解释了此白色颗粒相NbC的形貌为方形的原因。另外，也可看出在激光熔覆的快速冷却条件下，NbC颗粒未作为形核质点，即未见以NbC颗粒为基础的异质形核出现。这也解决了在激光熔覆过程中添加陶瓷颗粒是否合适的问题，传统上认为的在激光熔覆过程中加入NbC颗粒可能会产生以此NbC颗粒为低能量形核表面的现象并未发生，尤其是当激光熔覆的扫描速率比较大，熔覆层熔体冷却速度较快的情况下，仍可以避免异质形核，从而保证在激光熔覆层中获得更多的非晶相。综合图3-7～图3-10可以说明在本研究所做的激光熔覆的快速凝固条件下，可以获得枝晶相、NbC颗粒和非晶相共存的镍基非晶复合熔覆层。

图3-10 特定含NbC颗粒熔覆层截面组织的TEM测试结果

（a）熔覆层组织TEM照片 （b）A区电子衍射 （c）颗粒相EDS测试结果