超高速激光熔覆Fe基非晶合金單道工藝分析

黃海博，孫文磊，黃勇

超高速激光熔覆Fe基非晶合金單道工藝分析

黃海博1，孫文磊1，黃勇2

（1.新疆大學，烏魯木齊 830046；2.新疆工程學院，烏魯木齊 830023）

利用超高速激光熔覆工藝制備Fe基非晶合金。利用專用模具制備0.4、0.5、0.6 mm不同厚度預置涂層，并用質量分數為4%的聚乙烯醇將涂層與基材黏接，在真空環境下烘干。然后，設計正交試驗分析預置厚度、激光功率和掃描速度對Fe–Si–B非晶粉末材料單道熔覆寬度的影響，并利用超景深顯微鏡和極差分析法分析工藝參數對涂層稀釋率的影響次序。最后，對樣件磨拋和腐蝕，借助掃描電子電鏡分析涂層顯微組織。利用超高速激光熔覆制備涂層，單道涂層寬度與激光功率大小呈正相關關系。涂層稀釋率變化區間為8.8%～12.1%，影響涂層稀釋率的工藝次序為預置厚度>激光功率>掃描速率。所制備的涂層與基材形成良好的冶金結合，但涂層底部出現了晶化現象，晶粒尺寸分布區間為0.5～3.5 μm。將工藝因素歸一化考慮，涂層晶粒大小受激光能量密度影響較大。涂層底部凝固速率較低和成分偏析是造成晶化的重要原因，在預置厚度0.6 mm、激光功率500 W、掃描進給量6 000工藝下的晶化程度最小，將激光能量密度控制在10 W/mm3以下，有利于抑制晶化現象。

超高速激光熔覆；鐵基非晶合金；熔覆寬度；稀釋率；顯微組織

激光熔覆是利用高能量激光能量密度將基材表面和粉體材料快速熔化并迅速冷卻凝固，形成冶金結合，實現基體材料表面改性的工藝技術，是綠色制造和再制造技術中的關鍵組成，并成功應用于石油化工[1]、航空航天[2]和高速列車[3]等重要行業。但熔覆工作過程中，掃描速率通常小于2 m/min，熔覆面積效率在10～50 cm2/min，效率較低。這是因為激光能量主要集中在基材表面，以保證熔池存續一定時間熔化粉體材料，而且，通過工藝優化也難以突破熔覆效率低的瓶頸。為了提高熔覆效率，德國弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）和亞琛工業大學（RWTH– Aachen）于2017年成功研制了超高速激光熔覆設備[4]，從結構上改變了激光能量聚焦位置，將粉末與激光在熔池上方1 mm左右匯集，保證激光束大部分能量作用于粉末，使得粉末在進入熔池前熔化，只有少部分能量用于基材表面形成微熔池，極大縮短熔池的存續時間，有效提高了熔覆加工效率；同時，這種改進后的激光聚焦方式對于預置粉末熔覆，也能減少高能激光束對基材的影響，在一定程度上減少涂層成分偏析。

非晶是一種有別于晶體結構的原子排列長程無序、短程有序的亞穩態物質，在非晶合金內部不存在晶體合金中的位錯、晶界等現象。所以，通常具備高強度、高硬度和耐磨耐腐蝕性能。對于非晶合金的制備，高速冷卻速率是必不可少的，常見技術有單輥快淬[5-6]、熱噴涂[7]、等離子噴涂[8]和激光熔覆[9-10]等方法，但所制備的結果不盡如人意：單輥快淬法所制備非晶帶材厚度在幾十微米左右，難以形成三維非晶塊體；利用噴涂技術制備的涂層與基材界面主要是機械結合方式，在長時間服役過程中容易出現鼓泡和起皮缺陷；激光熔覆制備效率較低。王彥芳等[11]利用激光熔覆技術在304L不銹鋼表面制備了鐵基非晶合金，發現涂層由非晶和枝晶兩種組織構成，其中非晶主要分布在涂層中部。龔玉兵等[12]以Fe–Si–B非晶帶材為原料，利用激光熔覆技術在低碳鋼表面制備非晶涂層，發現涂層內部結晶相主要為α–Fe、Fe2B和FeSi3，分布在基材結合處并沿外延方向生長。而超高速激光熔覆工藝基于其特殊的光粉耦合結構，突破了加工效率低的瓶頸，為高效快速制備非晶合金涂層提供了技術可能。但目前利用超高速激光熔覆技術制備非晶合金研究較少，相較于Zr基[13]、Co基[14]、Cu基[15]等體系非晶合金，Fe基非晶具有價格低廉、摩擦力學性能優異的優勢[16]。所以，本文以Fe–Si–B非晶合金粉末為原料，通過預置鋪粉方式，利用超高速激光熔覆技術制備單道Fe基非晶涂層，研究激光功率、掃描速率及鋪粉厚度等工藝參數對涂層宏觀形貌的影響，并對涂層組織結構進行分析。

1 試驗設備與材料

1.1 試驗設備

超高速激光熔覆裝備主要由光源系統、運動系統、送粉系統、氣氛控制系統、冷卻系統和在線/離線編程控制系統組成。光源系統主要包括激光器、激光頭和光纖傳輸線路，其中激光器為西安中科中美公司研發的2 000 W連續光纖激光器，激光波長1 080 nm，功率可調節范圍為10%～100%。激光頭為氣動式中心送粉結構，減少了熔覆過程中粉末的飛濺，提高了粉末利用率。運動系統主要為三坐標連續控制CNC車床，控制激光頭在、、方向的直線運動和三爪卡盤的旋轉運動，主軸最高轉速200 r/min，直線定位精度±0.1 mm。送粉系統主要為沈陽普菲克公司生產的氣動送粉器，可實現1～10 r/min送粉自動調節。氣氛控制系統主要包括吹送粉末至熔覆頭所需的惰性氣體和熔覆過程中的保護氣，在本套設備中均使用Ar氣。超高速激光熔覆各組成模塊如圖1所示。

1.2 試驗材料與過程

45鋼廣泛應用于齒輪、軸、葉輪等關鍵零部件的生產制造，材料具有較高的附加值，所以選用45鋼作為基材進行研究，其化學組成如表1所示。Fe基非晶合金粉末成本低廉、應用前景廣闊，所以，選用了Fe–Si–B非晶合金粉末作為本次試驗的材料，各元素的組成如表2所示。

粉末的顯微形貌如圖2所示，盡管呈球形顆粒分布，但由于其尺寸在10 μm左右，粉末較為細小，直接利用送粉器進行送粉會出現團聚和堵塞現象，無法保證穩定的送粉量。所以，采用了預置涂層的方法進行試驗，過程如下：

圖1 超高速激光熔覆系統組成裝備

表1 45鋼化學元素組成

Tab.1 Chemical element composition of 45 steel wt.%

表2 Fe–Si–B非晶合金粉末化學元素組成

Tab.2 Chemical element composition of Fe-Si-B amorphous alloy powder wt.%

1）取純凈水300 mL進行加熱，升溫至80 ℃時加入聚乙烯醇粉末12 g，并不斷攪拌直至完全溶解，制備濃度為4%的聚乙烯醇黏接劑。

2）將冷卻至室溫的黏接劑與粉末混合呈糊狀均勻涂在基材表面，并利用3D打印技術制備不同深度的專用凹槽（如圖3所示），獲取不同厚度的預置涂層。

3）將預置好的基材放在真空加熱設備中加熱 60 min，烘干后的結果如圖4所示，可以發現涂層與基材黏接良好，表面較為平整，可用于高速激光熔覆工藝研究。

圖2 Fe–Si–B非晶合金粉末SEM形貌

圖3 可調節預置涂層厚度裝置

圖4 烘干后的預置涂層

將熔覆結果利用線切割技術將樣品切成長寬高均為8 mm的樣件，然后利用金屬試樣磨拋機對樣件依次進行400#、600#、800#、1000#、1500#的砂紙打磨，最后使用粒度為2.5 μm的金剛石噴霧拋光劑進行拋光。將制備好的樣件進行腐蝕，腐蝕試劑選用體積比為3∶1的濃鹽酸和濃硝酸混合而成的王水，腐蝕時間為5 s，然后使用無水乙醇對樣件進行清洗和干燥處理，并借助掃描電鏡觀察涂層微觀組織。

為了判斷Fe–Si–B合金粉末是否結晶，利用X射線衍射（XRD）技術進行檢測，結果如圖5所示，可以發現在圖譜中2為40°～50°區間表現出了較寬的漫散射峰，表明樣品是非晶合金粉末，可用于非晶涂層的制備。

圖5 Fe–Si–B合金粉末XRD圖

2 試驗過程與工藝因素分析

2.1 正交試驗設計

在高速激光熔覆預置法制備涂層的工藝過程中，預置厚度、激光功率和掃描速度是影響涂層形貌和質量的關鍵因素。于是，設計了鋪粉厚度在0.4～0.6 mm，激光功率在400～600 W，掃描進給量在6 000～10 000變化下的正交工藝試驗，根據測量，得到掃描進給量與掃描速度滿足經驗關系式（1），并分析這些因素對熔覆層形貌的影響，具體熔覆工藝參數如表3所示，對應的熔覆結果如圖6所示。

表3 高速激光熔覆工藝參數

Tab.3 Process parameters of high speed laser cladding

圖6 不同工藝下的熔覆形貌

2.2 工藝參數對單道熔寬和稀釋率的影響

為了進一步分析預置厚度、激光功率和掃描速度對單道涂層的熔寬和稀釋率的影響，利用超景深顯微鏡對涂層形貌進行測量（如圖7所示），并得到了不同鋪粉厚度下熔寬和稀釋率的變化趨勢，其中，不同工藝參數下單道熔寬的變化如圖8所示。

測量結果表明，本次試驗中涂層的寬度在678.63～955.48 μm變化，單道涂層寬度均小于光斑直徑1 000 μm。這是因為在熔覆過程中，圓形光斑的能量呈高斯分布，隨著遠離光斑中心，激光能量快速衰減，遠離中心區域的粉末不能熔化，無法形成熔池，所以出現了涂層寬度小于光斑直徑的現象。此外，可以發現，對于相同鋪粉厚度的涂層，單道寬度與激光功率呈正相關關系，這是因為在光斑直徑不變的前提下，功率輸入值越大，能量也就越高，能夠熔化粉末的區域越大，使得單道涂層的寬度變大。

稀釋率是衡量熱影響區大小的重要方法，稀釋率過大會引起成分偏離粉末名義成分，影響涂層組織結構和性能。稀釋率的計算方法如式（2）所示，式中的參數和圖7中參數含義一致，不同工藝參數下稀釋率的變化如圖9所示。

圖8 不同工藝參數下的單道熔寬變化

圖9 不同工藝參數下的稀釋率變化

結果表明，涂層的稀釋率在8.8%～12.1%區間內變化，相較于常規激光熔覆的稀釋率[17-19]（10%～50%）有明顯降低，但在圖9中無法直觀判斷影響稀釋率的關鍵因素，所以，根據表3中正交試驗，利用極差分析方法[20-21]進行工藝參數的顯著性計算。

極差值的大小反映了同一因素對試驗結果的影響大小，根據表4中的極差分析，可以看出影響涂層稀釋率的工藝次序為：預置厚度>激光功率>掃描速率。這主要是因為涂層厚度的增加會使得更多的激光束能量作用于粉末，對基材造成的熱影響減少，從而獲取更小的稀釋率。但這并不意味著稀釋率越低越好，稀釋率過小會降低涂層與基材的結合強度，影響涂層性能，所以，對于預置涂層的高速熔覆工藝，應在保證形成冶金結合的前提下，增加鋪粉厚度，減小涂層的稀釋率。

表4 正交試驗稀釋率分析結果

Tab.4 Results of dilution ratio of orthogonal test

3 結果分析與討論

3.1 涂層顯微組織分析

將表3中A組工藝下的涂層進行切割制備金相樣件，借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察和分析其微觀形貌和組織結構，得到結果如圖10所示。

可以發現涂層內部無明顯氣孔和裂紋等缺陷，晶粒尺寸大小均勻。涂層的底部與基材有明顯結合線，說明涂層與基材形成良好的冶金結合。但是，涂層底部出現了嚴重的晶化現象，這主要是由兩個方面引起的：一方面，由于涂層底部成分偏析造成，其偏析機制主要受兩種因素影響。盡管超高速激光熔覆對基材的熱輸入相較于常規熔覆方式小，但仍然不可避免地熔化部分基材，所以在涂層與基材形成冶金結合的凝固過程中，涂層底部與部分熔融基材原子間的互相擴散，引起底部涂層元素的稀釋，改變了非晶粉末的元素組成及配比，削弱了非晶合金成形能力[10]。此外，原始粉末元素組成中Si和B元素密度較小，在冶金反應過程及熔池的攪動作用下會出現上浮現象，造成名義成分偏析，影響非晶成形能力；另一方面，盡管超高速激光熔覆與常規熔覆成形方式有明顯差異，但根據二者涂層各部分微觀組織對比[22-23]，其成形過程可以根據經典凝固理論進行解釋說明。所以這里從溫度梯度與凝固速度在凝固過程中的變化來分析涂層底部非晶晶化現象。在熔池底部凝固速度→0，為晶粒的形核和生長提供了條件，凝固過程以平面晶方式推進，但在推進過程中熔融區與周圍環境對流散熱，溫度梯度逐漸降低，樹枝晶沿熱流反向生長所以在涂層底部出現了明顯的晶化現象，而且大都以樹枝晶為主。很多利用激光快速加熱和冷卻的特點在制備非晶過程中也都會發現類似的現象，而且這種在涂層底部出現晶化的現象是難以抑制的[24-25]。

在文獻[26-28]中研究發現：非晶合金斷面在高分辨率的掃描電鏡下會在同一方向出現周期性納米條紋，并指出這種現象是非晶合金特有的結構，而且Fe基非晶合金的納米條紋寬度為40～60 nm，這為Fe基非晶合金的判定和研究提供了重要依據。在本次試驗中涂層的中部和頂部存在一些無明顯特征組織區域，由于本次熔覆選用的粉末為非晶合金粉末，為了弄清這種無特征組織是否為非晶，對無明顯特征組織區域進行高分辨率掃描電鏡觀測，所得結果如圖11所示。

圖11表明，在2×105倍率下的掃描電鏡圖像中也出現了周期性的納米條紋，借助Nano Measurer測量，條紋的寬度在50～60 nm范圍變化，這種現象與Fe非晶合金所特有的結構基本相同。所以，可以確定涂層中這種無明顯組織特征區域應是非晶相，同時也證明了超高速激光熔覆工藝制備非晶合金的可行性。

進一步分析不同工藝參數對涂層組織結構的影響，將表3中工藝中所有的熔覆結果進行切割制備金相樣件，并磨拋和腐蝕，借助掃描電鏡觀察涂層中部的表面形貌，得到了圖12的結果。

在圖12中可以發現所有涂層組織均不是完全的非晶相，而是由晶相組織和非晶相交錯組成。而且，圖中的晶粒沒有明顯的生長方向，多以雪花狀的樹枝狀枝晶群分布。根據凝固形核理論，凝固組織的形態主要受溫度梯度/凝固速度（/）的影響，在涂層底部的界面結合區域，較大，較小，同時受熔池成分偏析的作用，給以晶核足夠的孕育和生長的時間，所以出現嚴重晶化；在向熔池中部和頂部推進的凝固過程中，凝固速率逐漸增大，晶粒來不及長大就以細小枝晶的形式凝固，形成涂層中的枝晶。但是，在凝固過程中受溫度梯度影響，產生表面張力梯度，造成熔池內部形成了馬蘭戈尼對流[29]（Marangoni Convection），沖斷晶粒的連續生長，改變了這些枝晶原本沿垂直于界面的生長方向，從而形成了涂層中尺寸較小，無明顯生長方向的枝晶。至于涂層中無明顯組織特征的非晶區域，這是主要是因為在遠離基材的涂層中部和頂部區域，熔融態液滴受成分偏析影響小，基本保持了原始粉末非晶成分，在高速熔覆較快的凝固速度下，形成了亞穩態的非晶相。

圖10 表3A組工藝下單道涂層SEM圖

圖11 在2×105倍下無明顯組織特征區SEM圖

圖12 不同工藝下單道涂層SEM圖

3.2 晶粒分布分析

進一步分析，在圖12中SEM形貌中，不同工藝參數下晶粒尺寸大小各不相同，而且G組和I組工藝下的涂層出現了明顯的氣孔缺陷，這與熔覆過程中掃描速率、鋪粉厚度和掃描功率等工藝參數相關。首先利用Nano Measurer軟件對涂層晶粒大小進行測量，為了不失一般性，每組工藝下測量20個樣本，結果如圖13所示。

可以發現，在A、B、C、D和I組工藝下涂層中的晶粒尺寸基本分布在0.5～3 μm區間，E、F和H工藝下涂層中晶粒基本分布區間為1～6 μm，而在G組工藝參數下的涂層晶粒尺寸較小，分布區間在0.5～ 1.5 μm，其中1 μm以下的微小晶粒占比約為80%，同時，在圖12中也可以看出該工藝下涂層中非晶的占比是所有工藝試驗中最高的。對于同種材料，加熱和凝固的速率的差異是造成結果差異的重要因素，而在相同的環境下，這種差異主要體現在不同加工工藝下粉末和基材捕獲的能量不同，所以，這里用激光能量密度這一綜合參數來表征工藝參數對涂層組織的影響，其計算如式（3）所示。

式中：P表示功率；v為掃描速度；d為光斑直徑，在本次試驗中d=1 mm；h為鋪粉厚度。進而計算不同工藝參數下的能量密度如圖14所示。

圖14 不同工藝下激光能量密度

在圖14中可以看出，本次熔覆試驗過程中激光能量密度變化范圍在5.8～17.4 W/mm3，其中G工藝參數下的能量密度最小，為5.8 W/mm3，F組工藝參數下的能量密度最大，為17.4 W/mm3。將圖13中能量密度的分布與圖12中的晶粒尺寸分布對比可以發現，最小輸入能量密度的G工藝所制備的涂層中的晶粒尺寸和晶化程度也是最小的，激光能量密度在8～10 W/mm3區間的涂層中晶粒尺寸為0.5～2.5 μm，在1.5 μm以下的細小晶粒占比約為70%；激光能量密度在10～12 W/mm3區間涂層中晶粒尺寸為1～3.5 μm，其中3 μm以下的晶粒占比約為80%；激光能量密度在12～15 W/mm3區間的涂層中晶粒尺寸為0.5～2.5 μm，其中以1～2 μm的晶粒居多，占比約為80%。同時，結合圖12中的A、B、C、F、H和I工藝下的涂層組織分布可以看出，當激光能量密度超過10 W/mm3時，涂層內部就會出現較為嚴重的晶化。所以控制能量密度在10 W/mm3以下，對于利用超高速熔覆技術制備非晶涂層是極其重要的。

4 結論

1）超高速激光熔覆工藝制備單道Fe–Si–B非晶涂層寬度與激光功率呈正相關關系，涂層的稀釋率在8.8%～12.1%區間內變化，影響涂層稀釋率的工藝次序為：預置厚度>激光功率>掃描速率。

2）超高速激光熔覆工藝所制備的涂層組織均不是完全的非晶相，而是由晶相組織和非晶相交錯組成，且以涂層底部晶化現象居多，這主要由涂層底部凝固速率較低和成分偏析造成的。

3）超高速激光熔覆Fe–Si–B非晶粉末的晶化晶粒尺寸分布區間為0.5～3.5 μm，與激光能量密度大小相關性強，為了抑制晶化現象，將激光能量密度控制在10 W/mm3以下是必要的。

[1] MATSUMOTO M, YANG Shan-shan, MARTINSEN K, et al. Trends and Research Challenges in Remanufact-uring[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 2016, 3(1): 129- 142.

[2] XU Lei, CAO Hua-jun, LIU Hai-long, et al. Study on Laser Cladding Remanufacturing Process with FeCrNiCu Alloy Powder for Thin-Wall Impeller Blade[J]. The Inter-na-tional Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 90(5): 1383-1392.

[3] 余敏, 張鴻羽, 曹開, 等. 激光熔覆在高速列車上的應用研究現狀[J]. 表面技術, 2020, 49(10): 12-20, 38.

YU Min, ZHANG Hong-yu, CAO Kai, et al. Application Status of Laser Cladding in High-Speed Trains[J]. Surface Technology, 2020, 49(10): 12-20, 38.

[4] SCHOPPHOVEN T, GASSER A, WISSENBACH K, et al. Investigations on Ultra-High-Speed Laser Material Deposition as Alternative for Hard Chrome Plating and Thermal Spraying[J]. Journal of Laser Applications, 2016, 28(2): 022501.

[5] LIU Yan hui, WANG Gang, WANG Ru ju, et al. Super Plastic Bulk Metallic Glasses at Room Temperature[J]. Science, 2007, 315(5817): 1385-1388.

[6] ZHAO Ding-guo, GUO Pei-min, ZHAO Pei. Activity Model of Fe-Si-B Ternary Metallic Melts[J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2011, 18(6): 16-21.

[7] 楊翔麟, 王善林, 龔玉兵, 等. 熱輸入量對HVOF鐵基非晶涂層制備及性能的影響[J]. 精密成形工程, 2018, 10(5): 107-112.

YANG Xiang-lin, WANG Shan-lin, GONG Yu-bing, et al. Effects of Heat Input on Preparation and Properties of HVOF Fe-Based Amorphous Coatings[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(5): 107-112.

[8] 崔崇, 侯偉驁. 等離子噴涂含Al2O3-TiO2顆粒的Fe基非晶合金涂層的性能(英文)[J]. 稀有金屬材料與工程, 2014, 43(11): 2576-2579.

CUI Chong, HOU Wei-ao. Properties of Fe-based amo-rphous alloy coatings with Al2O3-13% TiO2deposited by plasma spraying[J]. Rare Metal Materials and Enginee-ring, 2014, 43(11): 2576-2579.

[9] 姚燕生, 唐建平, 張亞超, 等. 非晶合金激光制造技術研究進展[J]. 中國激光, 2021, 48(2): 0202012.

YAO Yan-sheng, TANG Jian-ping, ZHANG Ya-chao, et al. Development of Laser Fabrication Technology for Amor-phous Alloys[J]. Chinese Journal of Lasers, 2021, 48(2): 0202012.

[10] 龔玉兵, 王善林, 張子陽, 等. 基于工業合金激光熔覆制備Fe基非晶涂層[J]. 材料導報, 2017, 31(16): 98-102, 106.

GONG Yu-bing, WANG Shan-lin, ZHANG Zi-yang, et al. Fabrication of Amorphous Coating by Laser Cladding Using Industrial-Grade Fe-Based Alloy[J]. Materials Review, 2017, 31(16): 98-102, 106.

[11] 王彥芳, 李豪, 孫旭, 等. 寬帶激光熔覆鐵基非晶涂層的微觀組織及形成機制[J]. 中國激光, 2018, 45(3): 0302006.

WANG Yan-fang, LI Hao, SUN Xu, et al. Microstructures and Formation Mechanism of Fe-Based Amorphous Coa-tings by Broad-Band Laser Cladding[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(3): 0302006.

[12] 龔玉兵, 王善林, 李宏祥, 等. 脈沖寬度對激光熔覆FeSiB涂層組織與硬度的影響[J]. 材料工程, 2018, 46(3): 74-80.

GONG Yu-bing, WANG Shan-lin, LI Hong-xiang, et al. Effect of Pulse Width on Microstructure and Hardness of FeSiB Coatings by Laser Cladding[J]. Journal of Mater-ials Engineering, 2018, 46(3): 74-80.

[13] WOLFF U, GEBERT A, ECKERT J, et al. Effect of Surface Pretreatment on the Electrochemical Activity of a Glass-Forming Zr-Ti-Al-Cu-Ni Alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2002, 346(1-2): 222-229.

[14] ROY B, GHATAK S K. Magneto-Impedance in Co-Based Amorphous Wire and Ribbon[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2001, 326(1-2): 198-200.

[15] 彭謙之, 劉克明, 周海濤, 等. 銅基非晶合金的研究現狀及展望[J]. 熱處理技術與裝備, 2012, 33(5): 1-4, 7.

PENG Qian-zhi, LIU Ke-ming, ZHOU Hai-tao, et al. The Research Status and Prospects of Cu-Based Glassy Alloys[J]. Heat Treatment Technology and Equipment, 2012, 33(5): 1-4, 7.

[16] 高涵, 魏先順, 梁丹丹, 等. 超音速火焰噴涂Fe基非晶合金涂層材料的摩擦磨損性能研究[J]. 表面技術, 2018, 47(2): 55-63.

GAO Han, WEI Xian-shun, LIANG Dan-dan, et al. Friction and Wear Properties of HVAF Sprayed Fe-Based Amorphous Alloy Coatings[J]. Surface Technology, 2018, 47(2): 55-63.

[17] 楊丹, 寧玉恒, 趙宇光, 等. 工藝參數對304不銹鋼表面激光熔覆Ni基合金涂層的組織、耐磨性及耐腐蝕性的影響[J]. 材料導報, 2017, 31(24): 133-140.

YANG Dan, NING Yu-heng, ZHAO Yu-guang, et al. Infl-uence of Processing Parameter on Microstructure, Wear- Resistance and Corrosion-Resistance of Laser Cladding Ni-Based Alloy on the Surface of 304 Stainless Steel[J]. Materials Review, 2017, 31(24): 133-140.

[18] 李娟, 王善林, 龔玉兵. 激光熔覆FeSiB非晶涂層工藝及組織[J]. 中國激光, 2016, 43(1): 0103006.

LI Juan, WANG Shan-lin, GONG Yu-bing. Processing Optimization and Microstructure of FeSiB Am Orphous Coating by Laser Cladding[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(1): 0103006.

[19] 張粲東, 舒林森. 基于正交試驗的非均勻Fe45粉末激光熔覆工藝優化[J]. 激光與光電子學進展, 2021, 58(5): 0514006.

ZHANG Can-dong, SHU Lin-sen. Optimization of a Non-Uniform Fe45 Powder Laser Cladding Process Based on Orthogonal Test[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2021, 58(5): 0514006.

[20] 蔣三生, 梁立帥, 舒鳳遠. 45鋼表面激光熔覆Co基合金覆層工藝優化[J]. 材料導報, 2020, 34(S1): 448-451.

JIANG San-sheng, LIANG Li-shuai, SHU Feng-yuan. Process Optimization of Laser Cladding Co-Based Alloy Cladding Layer on 45 Steel Surface[J]. Materials Reports, 2020, 34(S1): 448-451.

[21] 張富禎, 孫文磊, 王恪典, 等. 面向薄壁件的激光熔覆修復工藝參數優化研究[J]. 表面技術, 2019, 48(1): 168-174.

ZHANG Fu-zhen, SUN Wen-lei, WANG Ke-dian, et al. Optimization of Laser Cladding Repair Process Param-eters for Thin-Wall Parts[J]. Surface Technology, 2019, 48(1): 168-174.

[22] 李俐群, 申發明, 周遠東, 等. 超高速激光熔覆與常規激光熔覆431不銹鋼涂層微觀組織和耐蝕性的對比[J]. 中國激光, 2019, 46(10): 1002010.

LI Li-qun, SHEN Fa-ming, ZHOU Yuan-dong, et al. Comparison of Microstructure and Corrosion Resistance of 431 Stainless Steel Coatings Prepared by Extreme High-Speed Laser Cladding and Conventional Laser Cladding[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(10): 1002010.

[23] 王強, 楊駒, 牛文娟, 等. 高速激光熔覆鐵基TY-2合金組織及力學性能分析[J]. 表面技術, 2021, 50(7): 66-73.

WANG Qiang, YANG Ju, NIU Wen-juan, et al. Micros-tructure and Mechanical Properties of Fe-Based TY-2 Alloy Coatings by High-Speed Laser Cladding[J]. Surface Technology, 2021, 50(7): 66-73.

[24] BORDEENITHIKASEM P, HOFMANN D C, FIRDOSY S, et al. Controlling Microstructure of FeCrMoBC Amor-phous Metal Matrix Composites via Laser Directed Energy Deposition[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 857: 157537.

[25] MALACHOWSKA A, PACZKOWSKI G, LAMPKE T, et al. Characterization of FeP-Based Metallic Glass Coatings Prepared with Laser Cladding[J]. Surface and Coatings Technology, 2021, 405: 126733.

[26] WANG G, ZHAO D Q, BAI H Y, et al. Nanoscale Periodic Morphologies on the Fracture Surface of Brittle Metallic Glasses[J]. Physical Review Letters, 2007, 98(23): 235501.

[27] WANG Y T, XI X K, WANG G, et al. Understanding of Nanoscale Periodic Stripes on Fracture Surface of Metallic Glasses[J]. Journal of Applied Physics, 2009, 106(11): 113528.

[28] LI H X, KIM K B, YI S. Enhanced Glass-Forming Ability of Fe-Based Bulk Metallic Glasses Prepared Using Hot Metal and Commercial Raw Materials through the Optimization of Mo Content[J]. Scripta Materialia, 2007, 56(12): 1035-1038.

[29] 陳茹, 虞鋼, 何秀麗, 等. 38MnVS6鋼中硫元素擴散對激光熔覆涂層形貌和組織的影響[J]. 中國激光, 2018, 45(6): 0602005.

CHEN Ru, YU Gang, HE Xiu-li, et al. Effect of Sulfur Diffusion in 38MnVS6 Steel on Morphology and Micro-structure of Laser Cladding Layers[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(6): 0602005.

Analysis on the Process of Single Track Fe Based Amorphous Alloy during Ultra High Speed Laser Cladding

1,1,2

(1. Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2. Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi 830023, China)

To prepare Fe based amorphous alloys by ultra high speed laser cladding, in this paper, the preset powder coatings with different thickness of 0.4 mm, 0.5 mm and 0.6 mm were prepared by special mold. Next, the coatings were bonded to the substrate with 4% polyvinyl alcohol and dried under the vacuum condition. Then, the orthogonal experiment was designed to analyze the effect of preset thickness, laser power and scanning speed on the single pass cladding width of Fe-Si-B amorphous powder material, also the effect of process parameters on the coating dilution ratio was analyzed by depth of field optical microscope and extremum difference analysis. At last, the microstructure of the coating was analyzed by means of scanning electron microscope (SEM). Results showed that there was a positive correlation between coating width and laser power; the range of coating dilution ratio was 8.8%-12.1%, and the descending order were as follows: preset thickness, laser power and scanning rate. The coating has good metallurgical bonding with the substrate, but there exists crystallization region at the bottom of the coating, which size is 0.5-3.5 μm. Considering the normalization of process factors, the grain size of the coating is greatly affected by the laser energy density, further analysis, the low solidification rate and composition segregation at the bottom of the coating are the important reasons for the crystallization. Compared the result of each process, crystallization degree is the lowest when the preset thickness is 0.6 mm, laser power is 500 W, and scanning feed is 6 000, and it is beneficial to restrain the crystallization when the laser energy density is controlled below 10 W/mm3.

ultra high speed laser cladding; Fe based amorphous alloy; cladding width; dilution ratio; microstructure

V261.8

A

1001-3660(2022)07-0410-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.041

2021–08–24；

2021–11–29

2021-08-24；

2021-11-29

自治區重點研發計劃項目（2020B02014）；自治區重點實驗室開放基金（2020520002）；新疆工程學院科研基金項目（2019xgy152112）

Supported by Key Research Projects in the Autonomous Region, Xinjiang (2020B02014); Open Fund for Key Laboratories of the Autonomous Region, Xinjiang (2020520002); Scientific Research Project of Xinjiang Institute of Engineering (2019xgy152112)

黃海博（1989—），男，博士研究生，主要研究方向為表面激光改性。

HUANG Hai-bo (1989-), Male, Doctoral student, Research focus: surface laser modification.

孫文磊（1962—），男，博士，教授，主要研究方向為CAD/CAM和再制造工程

SUN Wen-lei (1962-), Male, Doctor, Professor, Research focus: CAD/CAM and remanufacturing engineering.

黃海博, 孫文磊, 黃勇.超高速激光熔覆Fe基非晶合金單道工藝分析[J]. 表面技術, 2022, 51(7): 410-419.

HUANG Hai-bo, SUN Wen-lei, HUANG Yong. Analysis on the Process of Single Track Fe Based Amorphous Alloy during Ultra High Speed Laser Cladding[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 410-419.

責任編輯：萬長清