热输入变化对熔覆层组织的影响

为了综合考虑激光功率以及熔覆速度对获得的熔覆层的微观组织以及性能的影响，本次试验通过改变热输入来研究对获得的熔覆层的影响。经过试验参数的优化，选择稀释率较低的试样着重研究热输入（E，即综合考虑激光功率P和扫描速度v的影响，E=P/v）对熔覆层中组织、相组成以及非晶形成能力的影响规律。提取6组参数计算其热输入，其具体数值如表3-3所示。由表3-3可以看出，随激光扫描速度的增加，要获得良好的熔覆层成形，必须增加激光功率和送粉量，以保证单位长度上的热输入量足够多以熔化送进的粉末。但总体来说，激光熔覆扫描速度增加时，热输入量呈现逐渐减小的趋势，由131.3J/mm减小到50.0J/mm。这说明，虽然激光功率增加，但是由于速度值增加更多，热输入呈现降低的趋势，在这样的情况下用热输入来研究激光熔覆时各参数变化对熔覆层成形和组织的影响更为有效。国外相关研究也采用类似的热输入或在此基础上考虑光斑面积的影响，但是由于本研究中的激光斑点面积始终保持一致，因此未考虑这一参数。

表3-3 不同热输入激光熔覆主要参数

图3-11是不同热输入在光学显微镜下获得的熔覆层横截面经王水腐蚀后的宏观形貌。由图3-11可以看出，随着热输入的降低，熔覆层高度越来越小，但对熔覆层宽度影响不大。其统计结果如图3-12所示，统计了6个不同热输入参数下的熔覆层高度与宽度的变化趋势。这是因为随着热输入的降低，也就相当于单位长度熔覆层上的热输入降低，其温度的最高值变小，超过合金熔点温度的停留时间也随之变短，所以即使在增加粉末的同时，而获得的涂层的高度反而是下降的趋势。但是由于在试验过程中，激光头一直处于固定状态，所以对获得涂层的宽度影响较小。

其次，从宏观图还可以看出，6个熔覆层主要由灰色区域和白色区域组成，灰色区域主要分布在熔覆层与基体的结合处、熔覆层的两端以及熔覆层的表面。当热输入在131.3J/mm时，不仅在这些区域存在灰色，且在熔覆层中间也有大面积的灰色区域，随着热输入的降低，熔覆层间的灰色区域逐渐减少。如图所示，当热输入降低至64.6J/mm时，熔覆层中间的灰色区域以分布不均匀的小面积存在，且颜色也稍微变暗。继续降低热输入，熔覆层中基本上没有灰色区域，中间熔覆层越来越白且更亮。如热输入为54.7J/mm、52.5J/mm和50.0J/mm的宏观照片所示。

图3-11 不同热输入熔覆层横截面的宏观组织形貌

（a）131.3J/mm （b）81.3J/mm （c）64.6J/mm （d）54.7J/mm （e）52.5J/mm （f）50.0J/mm

图3-12 不同热输入熔覆层的高度与宽度

因为非晶不存在晶界、位错和层错等缺陷特征，假如熔覆层中存在非晶组织，用腐蚀液王水腐蚀后，在光学显微镜下看到的熔覆层应该不会出现任何组织的形貌而且呈现亮白色。所以根据前面的试验分析，熔覆层中得到的灰色区域应该是晶体被腐蚀液腐蚀出的晶界，而熔覆层中白色区域则是非晶组织被腐蚀后的在光学显微镜下的特征。由此可以推测，在激光熔覆层中存在非晶相，且随着热输入的降低，非晶相的含量是增加的。

并且，由图3-11还可看出在激光熔覆层内不同位置的组织分布也是不均匀的，即所谓成分偏析以及由此带来的组织不均匀，使在熔覆层的中心部位也存在灰度上的差异。这是由于在激光熔覆过程中，虽然激光对熔池有一定的搅拌作用，能够促进其成分实现均匀化，但是由于冷却速度极快，要使得不同位置具有同样的成分和组织分布也是不可能的。其次，在激光加热的过程中，由于加热速度过快会带来从基体到熔覆层方向上极大的温度梯度，这一梯度的存在必然会导致冷却时熔覆层的定向凝固，根据金属学知识可知，涂层的逐步凝固会造成涂层不同位置的合金成分存在差异，而凝固后的冷却速度极快，会导致元素来不及均匀化扩散，从而出现成分偏析现象。

另外，由图3-11还可以发现，在不同的热输入下获得的熔覆层都存在少量气孔。产生的主要原因是，涂层粉末在试验前被氧化、受潮或有的元素在高温条件下发生氧化反应，导致在熔覆过程中产生气孔。其次，由于激光熔覆是一个快速加热和快速冷却的过程，在熔化的涂层以及基体快速凝固的过程中，使涂层中的气体来不及溢出而形成气孔。同时由图还可以看出，在涂层中出现裂纹，这是由于熔敷材料与基体之间存在较大的物理性能上的差异，加上激光束快速加热和冷却的作用，使熔覆层产生极大的热应力，大于涂层的强度极限，因而产生裂纹。并且还能发现，随着热输入的降低，熔覆层度裂纹的敏感性也逐渐降低。

图3-13是在不同热输入下（131.3J/mm、81.3J/mm、64.6J/mm、54.7J/mm、52.5J/mm和50.0J/mm）激光熔覆制备的熔覆层中部区域的微观组织形貌。如图3-13（a）所示，当热输入为131.3J/mm时，其熔覆层中的微观组织几乎全为晶体相，并以树枝晶的形式存在，且晶粒尺寸比较粗大。81.3J/mm时，在熔覆层中出现了小面积的没有任何组织特征的区域，晶体相也呈现出等轴晶的特征，晶粒尺寸减小。当热输入减小到64.6J/mm时，熔覆层也表现出晶体相与非晶相共同存在的特征，但无晶界特征的非晶相所占的面积大于图3-13（b），继续降低热输入，如图3-13（d）所示，热输入为54.7J/mm时，非晶组织的含量的增加已超过了晶体相，说明非晶的含量已超过了50%。另外，熔覆层中出现的不均匀分布的白色颗粒相，结合前文中的EDS以及TEM分析测试结果，认为是NbC颗粒相。进一步降低热输入，当热输入为52.5J/mm和50.0J/mm时，熔覆层中主要由无晶体特征的非晶相组成，但也有少量的尺寸较小的等轴晶晶体相和白色颗粒相存在，且非晶相所占的含量进一步增加。由此也可以看出，在参数工艺优化之后（较低的稀释率），采用激光熔覆的方式可以在低碳钢基体表面获得Ni基非晶复合熔覆层。并且，随着激光热输入的降低，熔覆层中非晶相所占的体积比例呈现逐渐增加的趋势。

图3-13 不同热输入熔覆层中部区域的微观组织形貌

（a）131.3J/mm （b）81.3J/mm （c）64.6J/mm （d）54.7J/mm （e）52.5J/mm （f）50.0J/mm

图3-14给出了在不同热输入获得的激光熔覆层的XRD衍射图谱。由图3-14可以看出，当热输入为131.3J/mm时，熔覆层的XRD衍射图谱主要由尖锐的晶体峰组成，基本无宽化现象产生。当热输入在81.3～50.0J/mm之间，所有熔覆层在2θ（40°～50°）处发现了宽化的漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD图谱，说明图层中出现了非晶组织，采用Verdon方法［78］对非晶的体积含量进行统计，其结果如表3-4所示，表3-4数据可以说明，非晶的含量随着热输入的降低呈上升趋势，同时也证明了前文叙述的无组织特征的区域为非晶相。另外，由XRD图谱还可以发现，在宽化的漫散射峰上镶嵌着尖锐的晶体衍射峰，表明制备的熔覆层属于非晶复合熔覆层，熔覆层中同时存在非晶相与晶体相。由软件Jade标定，晶体相分别为γ（Fe，Ni），Fe2B和NbC相以及少量的Fe20Nb39Si40相和Nb6C5相。此外，从衍射图中还可以看出，晶体相的衍射峰随着热输入的降低而逐渐减弱。

图3-14 不同热输入激光熔覆层的XRD衍射图谱

表3-4 不同热输入熔覆层对应的非晶含量

在上述结构和相分析的基础上，对于Ni-Fe-B-Si-Nb-C合金体系，采用高功率即较低的热输入的激光熔覆工艺可以获得对应的非晶复合熔覆层。这是由于在激光熔覆后熔体的快速冷却过程中，晶体的生长受到限制，从而促进非晶相的形成。另外，正如前文所述，激光熔覆参数热输入可以改变熔覆层中非晶的含量，热输入的减小导致非晶含量的增加。同样也正是由于激光熔覆过程中冷却速度极快的特点，从而得到熔覆层具有快速凝固的非晶组织。

除此之外，冷却速度也是影响非晶形成以及所占比例的一个重要因素，本研究试图采用由Steen［105］等提出的Rosenthal公式对在移动热源作用下激光加热过程中的冷却速度进行估算：

式中：k是导热系数；v是扫描速度；P是激光功率；T0是材料的起始温度。为了方便计算，忽略了粉末以及激光能量分布的影响等因素。用熔覆层的功率与速度的比例作为影响非晶的一个重要参数，即冷却速率，由公式可以看出此参数相当于热输入的倒数。因此可以推断，热输入越低，可以获得更快的冷却速率。冷却速率越快，原子在熔池中很难重新排列，也抑制了晶体的形核与长大，从而有利于非晶相的形成［106］。所以，热输入越低，冷却速率越快，非晶相所占的比例也越高。

图3-15 熔覆层的截面微观组织形貌（热输入为50.0J/mm）

图3-15是在热输入为50.0J/mm时激光熔覆获得的熔覆层微观组织形貌，由图可以看出，在较低的热输入下，熔覆层组织主要是没有晶界的深灰色基体和白色颗粒相组成，以及少量的细小晶体相。说明在热输入为50.0J/mm时，激光熔覆制备所得的熔覆层中主要为非晶相。为进一步对激光熔覆所得熔覆层组织和物相进行分析，对熔覆层进行了透射电镜（TEM）分析，其结果如图3-16所示。

图3-16是图3-15的截面熔覆层的TEM测试结果以及电子衍射图像及EDS分析结果。图3-16（a）和图3-16（b）是熔覆层中组织的TEM照片，图3-16（c）为图3-16（a）中A区的电子衍射斑点，由图3-16（c）中的衍射斑点可以看出，该衍射斑点是两个相的嵌套，1号斑点为简单四方晶体结构，其晶带轴为［001］，2号斑点为底心单斜晶体结构，其晶带轴为［314］。结合图314XRD分析确定1号斑点对应的是Fe20Nb39Si40相，2号斑点对应的是Nb6C5相。图3-16（d）为图3-16（a）中B区的电子衍射斑点，所选区域的电子衍射花样特点是中心有一漫散的中心斑点及漫散射环，这是典型的非晶态的衍射斑点，进一步证明了制备的熔覆层中存在非晶相。图3-16（e）是图3-16（b）中C区的EDS分析，经过能谱分析表明，此相为富Nb相，结合图3-14中XRD分析，确定此相为NbC相。

图3-16 熔覆层截面组织的TEM测试结果（热输入为50.0J/mm）

（a）涂层内TEM明场像1 （b）涂层内TEM明场像2 （c）A区电子衍射斑点 （d）B区电子衍射 （e）C点成分分析