高功率半導體雷射熔覆鐵基非晶塗層的機理與性能研究

《高功率半導體雷射熔覆鐵基非晶塗層的機理與性能研究》是依託上海交通大學，由李鑄國擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高功率半導體雷射熔覆鐵基非晶塗層的機理與性能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李鑄國
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

採用高功率(3.5 KW)半導體雷射熔覆技術，利用其能量均勻的寬頻光束和快速凝固的優點，研究大面積製備鐵基非晶塗層，提高材料耐磨耐腐綜合性能。針對雷射熔覆快速凝固行為與組織形成機制，研究高功率半導體雷射熔覆過程熔池溫度場和熔體行為，特別是雷射輻照中的合金元素蒸發和遷移，並結合熱力學和動力學計算，理解高功率雷射熔覆鐵基非晶塗層的形成機制，從而進行鐵基非晶塗層合金體系的創新。研究高功率半導體雷射均勻加熱對控制熔池熔體的局部過熱度、減少合金成分之間的化學冶金反應的作用，研究半導體雷射熔覆時降低界面形核並快速向熔池生成柱狀晶的機制，保持熔池熔體的玻璃形成能力。最佳化工藝參數和合金體系，大面積製備高緻密、高結合強度、耐磨耐腐綜合性能優異的鐵基非晶塗層。通過本課題的工作，能夠有助於認識雷射熔覆鐵基非晶塗層的機制和工藝控制規律，對於大面積製備耐磨耐腐綜合性能優異的鐵基非晶塗層具有重要的理論指導意義。

結題摘要

本課題首先計算了Ni-Fe-B-Si-Nb合金體系中三元子合金的混合焓和歸一化錯配熵，結合共晶點準則，確定了熔覆材料的化學成分的範圍；在系統研究各元素含量對熔覆層中非晶含量的影響的基礎上，最佳化出在雷射熔覆條件下具有較強非晶形成能力的(Ni0.6Fe0.4)68B18Si10Nb4（at.%）合金體系。研究發現，由於晶體外延生長、熔體內異質形核以及基板對熔覆層的稀釋率作用，雷射熔覆時獲得非晶塗層的臨界冷卻速度極大地大於銅模吸鑄製備大塊非晶時的臨界冷卻速率。高速雷射重熔有利於熔覆層中形成非晶組織。 接著，以具有較強的非晶形成能力的[(Fe0.5Co0.5)0.75B0.2Si0.05]95.7Nb4.3 (at%)合金體系為熔覆材料，探討了雷射熔覆單步法製備鐵基非晶塗層的工藝控制因素。研究發現，雷射熔覆單步法非晶塗層的兩大控制因素為低稀釋率和高掃描速度。低稀釋率有利於非晶形成的機理包括：（1）雷射熔覆層的化學成分保留了較強的非晶形成能力；（2）雷射功率低，減少熔池攪拌，降低先凝固的樹枝晶被打斷進入熔體成為形核中心的幾率。高掃描速度提高了熔體的冷卻速度。雷射熔覆製備的非晶層從界面開始，依次形成：平面晶薄層、柱狀樹枝晶層、細小等軸樹枝晶層和非晶層。柱狀樹枝晶層的高度為15 μm，等軸樹枝晶層的高度為28μm。非晶層在離界面約45 μm處開始出現。能譜分析表明，在樹枝晶層中Fe元素的含量高於熔覆粉末中Fe元素的含量，揭示出該45 μm高度區域內，由於基板材料Fe元素的擴散，使得其化學成分偏離了設計的名義成分，降低了非晶形成能力；外延生長成晶體。熔池的攪動會使枝晶的尖端部分發生斷裂，做為等軸晶的形核質點，形成細小等軸樹枝晶層。隨著凝固的進行，離開界面45 μm後，熔體的成分接近非晶的名義成分，在比較大的冷卻速度下，形成了非晶態組織。因此，熔體具有很強的非晶形成能力和較快的冷卻速度是雷射熔覆製備鐵基非晶層的關鍵。 最後，對雷射熔覆製備鐵基非晶層的硬度和摩檫學測試表明，熔覆層的顯微硬度和非晶含量有密切關係，非晶層的硬度值達到了1200 Hv；非晶層具有較高的耐磨損能力，隨H3/E*2比值的增加，耐磨性提高。 本課題完成過程中，共發表期刊論文11篇，國際會議論文3篇，被SCI收錄的論文5篇，被EI收錄的論文7篇；授權發明專利2項；並舉辦了“中德半導體雷射表面技術研討會”。