组织均匀性对重熔涂层非晶形成能力的影响

在激光熔覆过程中很难获得稀释率为零的激光熔覆层，尤其是当增加激光输出功率密度时稀释率会逐渐增加。在其他参数一定时，随激光功率密度的增加，有利于提高熔覆层的组织和成分均匀性［84］。要研究熔覆层组织均匀性对重熔层非晶形成能力的影响，首先必须保证其成分尽量接近给定的名义成分，因此需对研究方法进行改进。

为讨论熔覆层组织及成分均匀性对重熔后涂层非晶形成能力的影响，避免在激光熔覆层成分过度偏离名义成分。设计了两步法试验进行研究和分析（见图2-14）。首先，采用激光功率密度为12100W/cm2，扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min的参数在基体上进行搭接熔覆，搭接时的搭接系数为0.5，获得第一层搭接熔覆层；随后，在第一层熔覆层上，分别采用不同激光输出功率密度（9100～21200W/cm2）进行单道熔覆，熔覆后所得熔覆层截面宏观形貌如图2-15所示，其中的虚线为第二层熔覆层和第一层熔覆层的界面位置。

图2-14 双层激光熔覆试验过程

图2-15 在第一熔覆层为基体上熔覆后所得激光熔覆涂层宏观形貌

（a）9100W/cm2（b）12100W/cm2（c）15150W/cm2（d）18200W/cm2（e）21200W/cm2

由图2-15可以看出，第一层熔覆层的厚度约为0.5mm。随着激光熔覆功率密度的增加，第二层熔覆层的宽度和深度逐渐增加，当功率密度为21200W/cm2时，其宽度和厚度分别为4.12mm和1.29mm。同时还可看出，即使当激光功率密度达到21200W/cm2时，第二层激光熔覆层的底部仍然在基体/第一道熔覆界面处，从而可以保证所获得第二层熔覆层较小的稀释率水平，使得经两步法所得第二层熔覆层组织的成分和给定的名义成分基本相近。

首先观察图2-15中给出的截面宏观形貌，可以发现其中的组织分布也存在不均匀性，表现为在熔覆层的不同部位经腐蚀后呈现灰色的深浅不一致。经放大后，图2-16给出了以第一熔覆层作为基体，经不同激光功率密度熔覆后获得的第二层熔覆层中心部位的微观组织。由图2-16可以看出，所得激光熔覆层皆以树枝晶为主。当激光功率密度相对较低时（9100～15150W/cm2），激光熔覆层的组织呈现出一定的不均匀性，在SEM照片内的不同区域既存在较大尺寸的枝晶，也存在细小的枝晶组织。而随着激光功率密度的增加（18200W/cm2和21200W/cm2），组织的均匀性随之变好。

图2-16 第二层激光熔覆层微观组织形貌

（a）9100W/cm2（b）12100W/cm2（c）15150W/cm2（d）18200W/cm2 （e）21200W/cm2

在同一激光熔覆参数的条件下，组织呈现不同的特征，认为主要是由于其成分存在一定差异导致的，也就是说，在较低的激光功率密度进行熔覆时，熔覆层内呈现一定的成分不均匀性，而随着激光功率密度的增加，熔覆层内成分均匀性变好。影响激光合金化熔池组织及成分均匀性的因素有很多，包括光束功率密度、光束模式、扫描速度、合金化元素种类等，同时这些因素的变化对成分均匀性造成的差异主要是通过改变熔池内部对流搅动来实现的［85］。

在激光熔覆过程中，形成的熔池内部液体流动的示意图如图2-17所示［86］。在熔覆层截面上，下半部分已经凝固，而上半部分还未凝固。可以看出，在熔池截面上，由于不同位置存在一定的温度差，在熔池顶部，由于距离激光辐照最近并且激光的主要能量集中在激光束的中部，因此熔池顶部的液体温度最高，而熔池中部及熔池边缘温度低于顶部温度。这样在熔池表面存在表面张力的差异Δσ，从而形成剪切力πTF，造成熔池内液体由顶部流向边缘，并由中部流向顶部，从而在熔池内部形成液体的搅动。液体搅动带来的搅拌作用可使得熔池内不同位置液态金属产生交互作用，搅拌作用越强烈会导致熔池内的成分分布更加均匀。表面张力梯度主要由不同位置之间的温度梯度决定。因此当激光功率密度增加而其他参数不变时，会造成熔池顶部与其四周之间的温度梯度增加，熔池内部的液体流动速度加快。另外，随激光熔覆时功率密度的增加还会导致熔池液体黏度下降，也会加快熔池液体的流动，提高对熔池的搅拌作用，使得熔池内部的成分分布更加均匀。

图2-17 激光熔覆过程中熔池截面液体流动

另外，当不存在第一层熔覆层时，激光功率增加时导致激光搅拌作用增强，会使得母材的成分带入到熔覆层中部及顶部产生稀释率不断增加的现象，从而导致整个熔覆层的成分偏离名义成分，反而降低了熔覆层的非晶形成能力。

图2-18为以第一熔覆层为基体，经不同激光功率密度熔覆后所得的第二层激光熔覆层经重熔后的微观组织形貌（激光重熔时的激光功率密度为53000W/cm2，扫描速度为8m/min）。由图2-18可以看出经激光重熔后，第二层熔覆层的组织和未重熔组织对比，发生了很大变化，重熔层的组织主要为非常细小的等轴晶区以及没有明显晶界的深灰色基体组成。针对熔覆时激光功率密度较小的涂层，其重熔层内主要以等轴晶为主，表明此时重熔层内基本无非晶相组织生成。而对于熔覆时激光功率密度较大的涂层，其重熔层主要由无明显晶界的非晶组织和细小的颗粒相组成，表明此时已经在重熔层内形成了非晶相组织。

图2-18 第二层激光熔覆涂层重熔后的微观组织

（a）9100W/cm2（b）12100W/cm2（c）15150W/cm2（d）18200W/cm2 （e）21200W/cm2

激光扫描速度为0.36m/min，送粉量为12g/min，熔覆功率密度为9100W/cm2和12100W/cm2的第二层涂层［见图2-18（a）、（b）］，其重熔层主要为等轴晶、枝晶及颗粒相等混合的组织，枝晶的尺寸非常细小。当激光熔覆时功率密度为15150W/cm2时，重熔层的组织主要由枝晶区、纳米晶区和非晶区共同构成，图2-19为重熔层内纳米晶区和枝晶区的透射电镜明场像及其选区衍射斑点。由图2-19（a）纳米晶区明场像可以看出，纳米晶均匀分布于重熔层内，纳米相的尺寸在10～20nm之间，标定其衍射斑点［见图2-19（b）］，其主要由γ（Fe，Ni）相组成。图2-19（c）为枝晶和非晶混合区的透射电镜明场像，可以看到在无衬度的基体上有枝晶形成，对枝晶分区衍射斑点进行标定［见图2-19（d）］，认为枝晶相也为γ（Fe，Ni）相。当激光熔覆功率密度为18200W/cm2时，重熔层内晶体相的数量进一步减少，在局部形成了等轴晶颗粒。随着激光熔覆功率密度的进一步增加（21200W/cm2），此时重熔层内无大尺寸晶体生成，主要是非晶相和白色颗粒的NbC相组成。

图2-19 重熔层内纳米晶区及枝晶/非晶共存区TEM测试结果

（a）纳米晶明场像 （b）纳米晶选区电子衍射 （c）枝晶明场像 （d）枝晶选区电子衍射

图2-20为以第一熔覆层为基体，并在不同激光熔覆功率密度参数下所得激光熔覆层，经激光重熔后不同涂层的X射线衍射图谱。由图2-20可以看出，所有图层在44°（2θ）处出现了漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD图谱，说明在激光重熔后涂层内部都形成了非晶组织；另外，图2-20中也发现了对应于结晶相的尖锐的衍射峰，表明制备的涂层属于非晶复合涂层，涂层中同时存在非晶相和晶体相。同时经计算可得各涂层的非晶含量如表2-3所示，表2-3表明当在第一层熔覆层基础上进行激光熔覆获得的第二层熔覆涂层时，第二层熔覆涂层重熔后的非晶含量随着激光熔覆时功率密度的增加而增加。

图2-20 第二层激光熔覆涂层重熔后的X射线衍射图谱

表2-3 第二层激光熔覆层经激光重熔后的涂层非晶体积含量

由图2-16～图2-20可以看出，在其他参数不变的情况下，初始涂层的组织和成分均匀性会改变重熔层的非晶含量。在激光熔覆过程中，粉末中可能会含有少量的高熔点化合物，当激光功率密度较低时，不能使得这些化合物熔化，从而导致重熔后的凝固过程中以此为晶核并长大，形成晶体相；同时当激光功率密度较低时也容易造成在熔覆层的不同位置，其成分存在不均匀性，部分区域的实际成分偏离名义成分，也会降低重熔过程中的非晶形成能力。当存在第一层熔覆层时，随着第二层激光熔覆功率密度的增加，熔池的最高温度、高温停留时间以及搅拌作用都会不断增加，从而导致部分难熔化合物的熔化，同时也使得整个熔覆层绝大部分区域的成分均一，由于是在第一熔覆层上进行熔覆，因此其实际成分也不会偏离名义成分过多，最终提高了熔覆层在重熔过程中的非晶形成能力。