鎳基非晶復(fù)合涂層的半導(dǎo)體激光制備及表征.pdf

1、激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的表面工程技術(shù)。它是集激光加熱熔化、熔池中物質(zhì)交互作用及快速凝固成形等多學(xué)科交叉的一門(mén)新技術(shù)。而激光熔凝（激光重熔）處理是用較高功率密度的激光束，在金屬或合金表面掃描，使表層金屬熔化，隨后快速冷卻凝固。冷卻速率通常為102～106K/s，有時(shí)甚至能達(dá)到1012K/s，從而得到細(xì)微的接近均勻的表層組織。因此利用激光熔覆獲得稀釋率極低的熔覆層，使得非晶合金體系的成分得到保證，

2、再利用激光重熔產(chǎn)生的大凝固速度使得在傳統(tǒng)晶體材料的表面制備非晶涂層成為可能。
　　 本文在低碳鋼表面通過(guò)半導(dǎo)體激光熔覆+重熔的工藝制備了鎳基非晶納米晶復(fù)合涂層，主要研究?jī)?nèi)容有:Ni-Fe-B-Si-Nb非晶合金體系的成分設(shè)計(jì)與制備，涂層的顯微組織和相結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律和形成機(jī)制，以及涂層硬度分布和耐磨性能的表征。主要研究成果如下:
　　 針對(duì)Ni-Fe-B-Si-Nb合金體系，基于判斷非晶形成能力三條經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則和共晶點(diǎn)準(zhǔn)則進(jìn)行

3、了混合焓、歸一化錯(cuò)配熵的計(jì)算和相圖分析，在此基礎(chǔ)上初步設(shè)計(jì)了合金成分范圍。并結(jié)合合金元素含量對(duì)涂層非晶形成能力影響的試驗(yàn)研究，最終確定了適合采用激光熔覆+重熔制備非晶復(fù)合涂層的合金粉末成分為(Ni0.6Fe0.4)68B18Si10Nb4（原子百分比），此時(shí)所得激光重熔涂層具有相對(duì)最大的非晶體積含量。
　　 系統(tǒng)研究了激光熔覆和激光重熔參數(shù)變化對(duì)重熔涂層非晶體積含量的影響。發(fā)現(xiàn)激光功率密度會(huì)影響稀釋率，隨激光功率密度的增加，熔覆

4、層的熔深增加，熔池?cái)嚢枳饔迷鰪?qiáng)，稀釋率也會(huì)提高。稀釋率較低時(shí)，熔覆層內(nèi)的成分和名義成分接近，因此在重熔層內(nèi)獲得了較大體積含量的非晶組織，而當(dāng)稀釋率較大時(shí)，導(dǎo)致重熔層內(nèi)非晶含量降低，甚至不能形成非晶。在保證熔覆層成分接近名義成分的基礎(chǔ)上，隨激光功率密度的增加，熔覆層的組織和成分更加均勻，在激光重熔后，重熔層的非晶體積含量也隨之增加。重熔時(shí)激光掃描速度為4m/min和5m/min時(shí)，重熔層內(nèi)基本無(wú)非晶相生成，速度為6m/min時(shí)重熔層內(nèi)開(kāi)始

5、形成非晶，隨重熔時(shí)激光掃描速度的進(jìn)一步增加，重熔層非晶含量也隨之升高，當(dāng)激光重熔掃描速度為9m/min時(shí)，重熔層內(nèi)的非晶體積含量為64％。
　　 觀察和分析了激光重熔層的組織分布，發(fā)現(xiàn)激光熔覆功率密度為12100W/cm2，掃描速度為0.36m/min，激光重熔功率密度為53000W/cm2，掃描速度大于6m/min（含）可在重熔層內(nèi)獲得非晶相，8m/min時(shí)，其重熔層組織主要為非晶相和NbC顆粒相，在其他參數(shù)條件下（非晶含量降

6、低時(shí)），重熔層內(nèi)還可能形成等軸晶、納米晶相及枝晶相和非晶相的混合組織等。計(jì)算了(Ni0.6Fe0.4)68B18Si10Nb4合金涂層在激光重熔時(shí)的熱循環(huán)曲線，并結(jié)合熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)對(duì)激光熔覆+重熔條件下的非晶相形成特點(diǎn)及機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，采用激光熔覆+重熔獲得鎳基非晶復(fù)合涂層的臨界冷卻速率約為10118.8K/s，高于相同成分的鎳基合金在采用銅模吸鑄制備大塊非晶時(shí)的臨界冷卻速率。認(rèn)為出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是:熱力學(xué)方面，在熔覆層

7、/重熔層界面處會(huì)出現(xiàn)部分熔化區(qū)，以及在重熔層內(nèi)部存在NbC顆粒相，都可以作為異質(zhì)形核的基底，其形核自由能會(huì)降低，有利于形核，必須繼續(xù)增加冷卻速率才能防止晶體形核及晶粒長(zhǎng)大行為的產(chǎn)生。動(dòng)力學(xué)方面，由于采用激光重熔工藝，在激光重熔時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可忽視的熔體流動(dòng)和溶質(zhì)遷移行為，加速了元素的長(zhǎng)程擴(kuò)散，因此也必須通過(guò)提高激光掃描速度（熔體冷卻速率），降低熔體表面張力梯度和高溫停留時(shí)間，來(lái)提高其非晶形成能力。
　　 系統(tǒng)測(cè)試了(Ni0.6Fe0

8、.4)68B18Si10Nb4合金激光熔覆+重熔涂層的顯微硬度分布及耐磨性能。顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明在涂層截面上由表及里顯微硬度值逐漸降低，在重熔層內(nèi)其顯微硬度值最大，并且隨重熔層內(nèi)非晶含量的增加，顯微硬度值不斷提高。激光重熔涂層的平均硬度和彈性模量分別為1227.9HV和277.4GPa，高于相同合金體系的大塊非晶合金，探討了重熔涂層的強(qiáng)化機(jī)制。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明隨摩擦轉(zhuǎn)速、載荷以及摩擦?xí)r間的增加，涂層的失重逐漸增加。摩擦系數(shù)隨載荷的