重熔时激光扫描速度对涂层非晶形成能力的影响

激光重熔过程形成的熔池直径一般在0.1～4mm之间，熔化深度在0.1～2mm之间，所以熔池的体积与工件的整体体积相比非常小，激光扫描后热量迅速向工件周围体积中扩散。结晶过程的冷却速率达到了102～108K/s，这一冷却速率由过程参数、材料的物理性能以及工件的几何形状决定［12］。比较重要的参数是激光扫描速度、激光功率密度等，随着扫描速度的提高，液态熔体的冷却速率也随之提高，而在制备非晶时熔体的冷却速率直接决定了其形成非晶的多少。因此，本节试图对激光重熔时激光扫描速度对重熔层的微观组织和物相组成的影响进行研究和分析。

图2-21为对激光熔覆（本节中所有激光熔覆涂层熔覆时激光功率密度为12100W/cm2、扫描速度为0.36m/min、送粉量为12g/min）所得涂层进行激光重熔后的涂层截面宏观形貌，重熔参数为激光功率密度53000W/cm2，扫描速度8m/min。从图2-21可以看出激光重熔后，激光重熔层和原有熔覆层之间形成一个界面，如图中虚线所示。激光重熔层的深度约为250μm，并且在重熔层内的组织衬度基本一致，表明此时重熔层的组织分布是比较均匀的。测量其他重熔速度（由4～9m/min）时的重熔层深度，其结果如图2-22所示。图2-22表明，重熔层深度和重熔时激光扫描速度呈反比，随重熔时激光扫描速度的增加，重熔层的深度不断减小。

图2-21 熔覆层经重熔后的截面宏观形貌

图2-22 重熔时激光扫描速度对重熔层深度的影响

图2-23为重熔时激光扫描速度变化时，重熔层截面的微观组织照片。由图2-23可以看出，当扫描速度为4m/min时，重熔层主要以树枝晶为主，并且晶粒尺寸相对比较粗大；为5m/min时，组织呈现等轴树枝晶的特征，晶粒尺寸减小；当扫描速度增加到6m/min时，重熔层表现为由晶体相和非晶相共同存在的组织特征，并且晶体相所占面积大于非晶相的面积；当扫描速度为7m/min时，非晶相所占的比例进一步增加，已经超过了晶体相的面积，这说明此时非晶含量已经超过了50%；扫描速度为8m/min和9m/min时，主要由无晶体特征的非晶相组成，非晶相所占比例进一步增加。

图2-23 重熔激光扫描速度对重熔层微观组织的影响

（a）4m/min （b）5m/min （c）6m/min （d）7m/min （e）8m/min （f）9m/min

根据凝固理论，温度梯度（G）和凝固速度（R）的比值G/R可通过下式来计算［87］：

式中：G是温度梯度；R是凝固速度；v R是激光扫描速度；T是熔覆合金的熔点；T0是基体的预热温度；α是激光吸收系数；P是激光功率密度；K是材料的导热系数。凝固过程首先在熔覆层与重熔层的界面处开始，逆热流生长至重熔层的表面。在其他工艺条件保持不变的条件下，随着扫描速度v R的增加，温度梯度（G）和凝固速率（R）的比值G/R降低。因此，较低的扫描速度条件下，重熔层的组织为树枝晶，随着扫描速度的增大，熔覆层的组织变为等轴晶。而当扫描速度进一步增加，熔覆层在重熔过程中的晶粒形核被抑制，会形成非晶组织。

图2-24给出了在不同激光扫描速度下所得重熔涂层的XRD衍射图谱。由图2-24可以看出，当扫描速度为4m/min和5m/min时，涂层的XRD图谱主要由尖锐的晶体峰组成，基本无宽化现象产生。而当扫描速度为6～9m/min时，所有涂层在2θ为44°处出现了漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD图谱，说明在激光重熔过程中形成了非晶结构；另外，图2-24中也发现了对应于结晶相的衍射峰，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。同时经计算得到不同涂层的非晶相体积含量，如表2-4所示，表2-4表明涂层的非晶含量随着激光重熔时扫描速度的增加而增加，而当重熔速度由8m/min增加到9m/min时，非晶含量变化不大。因此，为保证重熔层深度，此处所采用的激光重熔时的扫描速度为8m/min。在后续内容中一般也以重熔扫描速度8m/min所得涂层作为讨论非晶复合涂层特征的研究对象。

图2-24 激光扫描速度不同时的激光重熔层XRD图谱

表2-4 重熔时激光扫描速度不同时的涂层非晶含量

结合图2-22和图2-24的结果可以得出，在激光重熔扫描速度为6m/min、7m/min、8m/min和9m/min时，在涂层中分别获得了厚度为0.38mm、0.32mm、0.26mm和0.21mm的镍基非晶复合涂层。

综合分析本节内容可以发现，在激光熔覆+重熔制备镍基非晶复合涂层时，前驱工艺（熔覆）和后续工艺（重熔）是相辅相成的，当激光熔覆功率增加造成稀释率较大时，即使激光重熔时激光扫描速度较大也不能形成非晶相；同时，即使激光功率适中，激光重熔时扫描速度较小时也不能形成非晶相。总之，制备非晶复合涂层时，前驱工艺和后续工艺具有协同效应，不能仅考虑一方面的作用。