激光工艺参数对稀释率和熔覆层组织分布特征的影响

根据公式（2.5）计算出的不同激光功率密度下熔覆层的稀释率如图4-7所示。从图中可以明显看出，稀释率最低的是1#涂层，约为9%。随着激光功率密度的增大，涂层的稀释率有逐渐增大的趋势，这是由于在激光熔覆过程中，在其他参数一定的情况下，功率密度的增加会使熔池增大，大量的熔融的液态会使基材发生大量融化，功率越大，基材融化的越多，使得熔覆材料被基体材料的成分所稀释的就越多，因此得到的稀释率的值就会增大。

图4-7 不同激光功率密度下涂层的稀释率

图4-8为1#、2#、3#、4#涂层距表面约0.15mm处的XRD图谱。从图4-8中可以看出，随着激光功率密度的增大，晶体相衍射峰逐渐尖锐并且晶体相的种类也有所增多，当激光功率密度比较低的时候（273.79W/mm2的1#涂层），在40°～50°之间出现了明显的宽化漫散射峰［10］，表明在改熔覆条件下熔覆层以非晶相为主；随着激光功率密度增大，其宽化漫散射峰有所减弱（314.85W/mm2的2#涂层），并且出现了晶体峰，晶化相主要为bcc-Fe相；激光功率密度继续增加时，3#、4#涂层XRD图谱中没有发现非晶相所特有的漫散射峰，而晶化峰尖锐，主要有bcc-Fe和Fe2B相。

图4-8 不同激光功率密度下熔覆层的X射线衍射图谱

图4-9为1#、2#、3#、4#涂层距表面约0.15mm处的相同放大倍数的微观组织形貌。激光功率密度为273.79W/mm2的1#涂层，其中部区域的微观组织由白色颗粒状晶体以及大面积无任何组织形貌特征的灰色基底组成，结合XRD结果，该灰色基体就是非晶相，白色的颗粒相可能为NbC颗粒相；对于激光功率密度为314.85W/mm2的2#涂层，其微观组织除了部分组织和1#样中相同的以外，还有一些细小的枝晶组织的分布；3#涂层中的微观组织主要是细小的没有方向性的等轴树枝晶组织，其二次枝晶似针状且并不发达，白色颗粒相大幅度减少；4#涂层，其微观组织主要是“雪花”状的等轴树枝晶组成，但是其枝晶尖端较图4-9（c）中的圆润些，说明二次枝晶在较大的激光功率密度下开始长大。可见，在其他工艺参数一定的情况下，激光功率密度越大，熔覆层中晶体相越多，晶粒也越粗大。

图4-9 不同激光功率下熔覆层中部的微观组织形貌

（a）273.79W/mm2（b）314.85W/mm2（c）333.18W/mm2（d）348.48W/mm2

为了了解在其他工艺参数不变的情况下，激光功率密度的增加对熔覆层和基体的熔合区的影响，对熔合线附近100μm以内熔覆层的显微组织进行了观察。图4-10为1#、2#、3#和4#涂层与基材结合区的相同放大倍数的微观组织形貌。

从图4-10中可以看出，4个涂层与基体的熔合线处都存在平面晶，表明了在快速冷却下，涂层和基体均实现了冶金结合，平面晶的上方是定向外延生长的柱状树枝晶区，通过比较可以发现，随着激光功率密度的增加，柱状树枝晶区的宽度在不断增加，当激光的功率密度增加到348.48W/mm2（4#涂层）时，这种外延生长的柱状树枝晶区逐渐变少，而是以细小的树枝晶为主，如图（d）中的箭头所指区域；另外，随着激光功率密度的增加，柱状树枝晶区上方的等轴树枝晶区域也逐渐消失，这主要是因为在其他工艺参数一定的情况下，激光功率密度越大，熔覆层和基材吸收的激光能量就会越多，基材熔化的体积也就会增加，导致冷却时温度梯度减小，不利于快速“冻结”当前组织，就给晶体的长大提供了时间和能量因素，所以枝晶组织细小的区域就不容易出现。可见，激光功率密度的减小能在一定程度上抑制晶体的生长。葛亚琼等人［110］的研究也表明，随着激光功率的增大，形成的熔池较深，激光对熔池的搅拌作用也越大，断裂的枝晶臂作为形核质点，增加了晶体形核率，从而导致非晶形成能力的降低。

图4-10 不同激光功率密度下熔覆层与基材结合区的微观组织形貌

（a）273.79W/mm2（b）314.85W/mm2（c）333.18W/mm2（d）348.48W/mm2

在其他激光熔覆参数不变的情况下，激光功率密度的增加会提高熔覆层和基体的稀释率，从而会在一定程度上影响熔覆层的成分，促进熔合线附近熔覆层中的晶体相的继续生长。要在熔覆层中获得更多的非晶相，就要确保熔覆层的成分基本不受基体成分的影响，因此控制熔覆层和基体的稀释率是关键因素。