激光熔覆工艺对熔覆层非晶含量的影响

1.稀释率的影响

对不同稀释率下熔覆层的XRD结果进行计算机峰位拟合，在误差相当的情况下，1#熔覆层的结晶度约8.7%，2#熔覆层的结晶度约43%，而3#、4#的熔覆层中未发现非晶特征峰，基本上全部为结晶态。即1#熔覆层的非晶含量在92%左右，2#熔覆层的非晶含量在57%左右，而3#、4#的熔覆层基本上全部为晶体相。

图像分割软件是一个提取数据信息非常精确、应用广泛的图像处理软件，是图像信息的一个重要研究领域的分支［111，112］。本研究采用的图像分割软件是基于文献［113］的图像分割算法实现的。该算法采用了基于马尔科夫随机场（MRF）的图像模型，将图像作为图，将像素作为图中的节点进行建模。这些节点通过边相连，且在每条边上赋予“流量”的概念。“流量”通过统计节点的相关性训练得到。最终，采用graph-cut算法对图像进行分割，使得切割的边最少而流量最大，进而实现图像精细分割。本节采用该软件对不同样品的横截面图片进行识别分析，进而估算熔覆层横截面中非晶相的比例。由于非晶相比较耐腐蚀，经过王水腐蚀后仍然是灰白色，没有晶界组织特征，而晶体相中的晶界容易被腐蚀，因此经过王水腐蚀后，晶体相会变成灰黑色，用图像分割法对OM照片进行识别和分析处理，便可以得到非晶相所占熔覆层的横截面的比例。熔覆层横截面的OM照片和分割软件计算实例如图4-11所示。图4-11（a）是样品的OM照片（为了保证图片较高的信息，存盘时应为tif格式），熔覆层横截面经过王水腐蚀后，非晶相耐腐蚀，因此腐蚀后图像呈灰白色，而晶体相由于存在晶界不耐腐蚀，腐蚀后图像呈灰黑色，将腐蚀后的图像经软件处理后如图4-11（b）所示，从图中可以看出，图4-11（a）中非晶相所处区域和图像分析得到的区域形状基本吻合，经过图4-11（b）中的对应的像素比例计算，即可得到灰白色非晶相所占整个横截面的面积百分比。

图4-11 图像分割法分析熔覆层

（a）熔覆层的横截面的光学显微照片（tif格式） （b）熔覆层横截面图片经过图像分割软件处理后的信息分布

图4-12 不同稀释率下的样品对应的非晶含量百分比

把1#、2#、3#、4#的横截面镶嵌在同一试样块中进行打磨和抛光，然后用王水进行腐蚀，酒精冲洗，吹风机吹干后，拍摄光学显微镜照片（OM），得到的不同样品横截面的非晶含量，如图4-12是不同稀释率下的样品对应的非晶含量。从曲线中可以得出这样一个趋势，稀释率增大后，非晶相在熔覆层中的含量百分比急剧下降。

通过采用两种方法对不同稀释率的熔覆层的非晶含量进行测试，从结果中可以发现，随着熔覆层与基体的稀释率的增加，熔覆层中的非晶含量逐渐减少，当稀释率大于10%时，其熔覆层中的非晶含量急剧下降，说明熔覆层非晶形成能力对稀释率的敏感性。根据稀释率的定义可以得知，稀释率的增大意味着熔覆层化学成分的变化，归根结底，是化学成分偏离名义成分所导致了熔覆的非晶形成能力的下降，即熔覆层的实际化学成分与名义成分的吻合度是影响熔覆层非晶含量的一个关键因素。

2.激光扫描速度的影响

根据非晶形成经典理论可知，当熔体的化学成分确定情况下，冷却速度越大，越有利于非晶态的形成。在激光熔覆工艺中，激光熔覆速度的变化也会使熔池中组织的凝固速度有所不同［114］，因此有必要研究激光扫描速度参数对熔覆层非晶含量的影响。由于激光熔覆是一个非平衡快速凝固的过程，根据多次激光熔覆试验的工艺摸索和研究经验，激光的扫描速度、激光斑点、激光功率密度、送粉速率、送粉气流量、保护气流量、熔覆层厚度、熔覆环境的湿度、温度等等都会对熔覆层凝固组织形态造成一定的影响。其中，根据绪论中介绍的影响非晶相的形成能力的因素是可知，最主要的两个因素化学成分和冷却速率。在本节中首先控制了熔覆层的稀释率，确保化学成分不受到干扰；其次是提高其冷却速率，即增加激光扫描速度，为了研究熔覆扫描速度对熔覆层组织形貌的影响，最大限度地减小其他的参数的影响和保证凝固环境不变，设计了以下试验。

本系列实验设定了10个不同的激光扫描速度，为了获得相同的凝固环境，即相同的熔覆层厚度和相同的稀释率，根据试验经验微调每个速度下的其他参数，最后从中挑出具有对比性的试验样品进行研究和测试。对上述样品的横截面进行打磨、抛光和腐蚀，并对其尺寸进行测量，并计算出对应的熔覆层的宽度、高度、基材熔化深度和稀释率。

图4-13为从试验结果中选出的不同熔覆速度下样品的宽度、高度、熔深以及稀释率的变化情况。所筛选的样品尺寸变化相对平稳，其每个样品的稀释率也在9%以内，因此筛选出的样品的涂层厚度和稀释率等对熔覆层非晶含量的影响可以忽略。

图4-13 不同熔覆速度下样品的宽度、高度、熔深以及稀释率的变化

图4-14为不同熔覆速度下熔覆层中部区域的XRD图谱。随着熔覆速度的增大，晶化相衍射峰逐渐减少变弱。当激光扫描速度为5mm/s时，其晶化相衍射峰最多也最尖锐，主要为bcc-Fe相，经峰位拟合，其结晶度在90%左右；熔覆速度增加时，各个样品的XRD图谱在40°～50°之间都发现了宽化漫散射峰，且伴有微弱的晶体峰---NbC相。表明熔覆层中主要是非晶相，并镶嵌着晶体相。

在误差相当的情况下，对上述不同激光扫描速度下的熔覆层的中部表面进行XRD峰位拟合，如图4-15所示，当熔覆速度大于10mm/s时，其熔覆层内的非晶含量迅速增多，当熔覆速度大于20mm/s时，熔覆层内的非晶含量在90%左右。

图4-14 不同熔覆速度下熔覆层的X射线衍射图谱

图4-15 不同的激光熔覆速度下熔覆层内的非晶含量

将筛选出的样品进行镶嵌、抛光和用王水进行腐蚀，每个样品的横截面形貌如图4-16（a）所示。并对10个不同速度的样品用图像分析软件进行分析。分析结果如图4-16（b）所示。将分析的横截面的非晶含量的结果绘制成曲线，如图417所示，从图中可以看出，随着激光扫描速率的增加，熔覆层中非晶相的含量趋势是逐渐增加的；当扫描速率为10mm/s时，其熔覆层中的非晶含量百分比已经接近50%；当扫描速率为30mm/s时，其熔覆层中的非晶含量的百分比跃增到了74%；当速率为45mm/s以上时，熔覆层中的非晶含量已经达到了90%左右。

图4-16 图像分割法分析熔覆层

（a）筛选出的不同速度下的熔覆层横截面的OM形貌 （b）经过图像分割软件处理后的结果

图4-17 熔覆层横截面非晶含量随着激光扫描速度的变化曲线

图像分割法得到的熔覆层的非晶含量可能具有一定的局限性和误差，为了了解上述试验结果的正确性，对部分样品采用了差示扫描量热分析法（DSC）获得了不同激光扫描速度下样品的非晶含量。根据DSC基本原理，通过与已知相变和相变热标样DSC曲线的比较，等温晶化中的热焓变化ΔH表现为DSC曲线上的放热峰。公式表达如下：

式中：m为晶化质量；tg和tf为峰的起始和终止的时间；Δt是比较（标准）物和样品的温差；k为校正常数；ΔH·m是总晶化热QT。它和总的峰的面积成正比，则某样品完全晶化时总放热量QT为可以表示为

式中：β为升温速率，A为相应DSC曲线相变峰下的面积，根据公式（4-2）可以得出A的大小决定了总晶化热的大小，晶化热的大小决定了样品中非晶含量的多少，因此A可以作为衡量样品非晶含量的一个参数。图4-18是激光扫描速率为5、15、50mm/s时熔覆层的DSC曲线，从图中可以看出，随着激光扫描速率的增加，曲线相变峰的面积A随之增加，即在其他参数不变的情况下，较高激光扫描速度会使熔覆层中的非晶含量增加。

图4-18 激光扫描速率为5mm/s、15mm/s和50mm/s时熔覆层的DSC曲线

通过试验结果可以发现，在熔覆层冷却环境相似的情况下，提高激光的扫描速率可以增加熔覆层内非晶相的体积含量，本研究采用激光熔覆技术获得非晶涂层的过程中，熔覆层与基体熔合线附近的组织特征以柱状树枝晶和等轴树枝晶为主，可以通过控制熔覆层与基体的稀释率来控制熔合线附近枝晶晶体生长的情况，但是控制熔覆层组织形貌的因素比较多，相互间的耦合作用也比较复杂，对于激光熔覆来说，凝固时枝晶的生长速率R和激光扫描速度Vb的关系可由Vbcosθ=R公式来描述，其中θ为晶体生长方向和激光扫描速度的夹角。增大激光扫描速度可以增加熔池的凝固速度，结合非晶形成的经典理论可知，凝固速度的增加会使涂层中非晶相含量增加，因此冷却速度是影响熔覆层非晶相含量的又一关键因素。