不同稀释率下熔覆层元素分布

为了研究稀释率的变化对熔覆层内元素分布的影响，选择对相同的扫描速度（扫描速度为64mm/s）不同激光功率下（3500W、3600W、3700W和3800W）的熔覆层进行EDS（线扫描和面扫描）分析。图3-4是基体与熔覆层之间元素扩散的线扫描（EDS）分析图（激光功率为3500W，扫描速度64mm/s）。由线扫描图可以看出，在熔覆试验时，基体发生了熔化的现象并进入到熔覆层中，也就是说发生了稀释的现象。由表3-1中母材成分可知，基体中主要成分为Fe元素，而粉末中的元素主要包括Ni、Fe和Si等（B、C等小原子元素未被列出，主要是由于受到能谱分析仪器的限制）。在如图垂直于熔覆层/母材界面的方向上，从母材到熔覆层Fe元素逐渐降低，这是由于母材中主要为Fe元素，在界面附近由于母材的熔化，部分母材中的Fe元素进入到熔覆层中，但是离基体越远，母材中的元素对熔覆层中的元素影响也逐渐降低。Ni和Si元素呈现逐渐增加的趋势，这也是由于母材的稀释造成的，由于在熔覆层/基体界面附近Fe的元素增多，相对使得Si元素和Ni元素的含量降低，同样离基体越远，越接近于熔覆粉末的成分。由线扫描图还可以看出，Ni、Fe、Si和Nb元素在熔覆层内部的分布也是波动的，这主要是由于激光熔覆的快速凝固过程中很难实现元素的均匀化造成的。在这几种元素中，Nb元素的分布波动最大，这主要是由于Nb元素在熔覆层的存在主要是NbC的形式，认为存在峰值的地方形成了NbC颗粒。

图3-4 激光功率为3500W，扫描速度为64mm/s所得熔覆层能谱线扫描分析结果

对不同激光功率下的熔覆层以及同一熔覆层的不同界面位置处做了同样线扫描试验，其分析结果与激光功率为3500W时类似，在此不再赘述。

图3-4给出了基体和熔覆层界面附近成分变化的趋势，可以定性地分析元素的变化。然而线扫描分析不能定量给出熔覆层不同位置的成分变化。为进一步了解成分变化即稀释率对熔覆层成分分布的影响，对熔覆层不同位置进行了能谱（EDS）分析。图3-5是在激光功率为3500W，扫描速度为64mm/s时获得的熔覆层中不同深度上的微观组织，以及进行能谱分析的位置。在图3-5中，针对熔覆层的不同位置（图中标注的长方形区域）进行能谱面扫描分析，其中图3-5（a）给出了熔覆层中被扫描的位置，对应的微观组织如图3-5（b）～图3-5（e）所示，能谱分析结果如图3-6所示。另外，采取相同的实验方式，对激光功率为3600W、3700W和3800W时获得的熔覆层也进行了分析，由于基体的主要成分为Fe元素，所以稀释率增加的同时会导致熔覆层中的Fe含量有所增加。因此本节试图用熔覆层中不同位置的（A、B、C和D） Ni/Fe比值进行对比分析，以了解稀释率对熔覆层成分分布的影响，绘制不同点及合金粉末Ni/Fe比例如图3-6所示。

图3-5 激光功率3500W，扫描速度64mm/s制备的熔覆层面扫描能谱分析位置

图3-6 在扫描速度为64mm/s，不同激光功率下制备的熔覆层不同位置处Ni/Fe含量比值

（功率分别是3500W、3600W、3700W和3800W）

图3-6是在扫描速度为64mm/s，不同激光功率（功率分别是3500W、3600W、3700W和3800W）下制备的熔覆层不同位置处的Ni/Fe含量比值，同时给出了熔覆试验时使用合金的Ni/Fe成分比例，并将熔覆层中的成分Ni/Fe比值与粉末的名义成分做比较。由图3-6可见，熔覆层内存在化学成分的不均匀性。根据成分的变化，可将熔覆层划分为基体与熔覆层的界面区、过渡区和成分稳定区三个部分。

从图3-6可以看出，熔覆层界面区域的A点处，其Ni/Fe的比值都比较低，这是由于在激光熔覆过程中，基体与熔覆层在此处的混合作用比较剧烈，使基体中表层熔化的Fe元素稀释进入激光熔覆层导致的。其次试验分析发现，当激光功率为3500W时，制备的熔覆层成分Ni/Fe的比值与其粉末比较接近，而随着激光功率的增加，熔覆层中Ni/Fe的比值呈下降趋势，说明基体中Fe元素混入熔覆层内的含量逐渐增多，这是由于激光功率的增大，透过粉末入射到基体的能量密度增加，使得基体的熔化量也逐渐变多，即稀释率增大，并且在功率增加的同时，熔池内激光的搅拌作用也变得更加剧烈，导致熔覆层中成分的比例偏离粉末名义成分比例的程度也随之增大。所以，结合前文图3-3微观组织分析结果可知，在其他工艺参数一定的情况下，随着激光功率的增加，熔覆层中元素含量偏离名义成分的区域所占面积逐渐增加，同时含量的偏差值也逐渐增大。而名义成分综合考虑了深共晶等非晶形成理论，偏离这一成分对于非晶组织的形成是非常不利的。因此，在激光熔覆工艺制备非晶熔覆层的过程中，为确保获得成形良好，且达到冶金结合的熔覆层，应尽量控制激光功率的大小，减少基体成分对熔覆层的损害作用，即减小熔覆层稀释率对非晶形成能力的影响，从而可以最大程度的提高熔覆层中非晶体积含量。