半導(dǎo)體激光熔覆鐵鈷基非晶層的研究.pdf

1、激光熔覆技術(shù)是指在激光熱源的作用下瞬間加熱融化熔覆材料于某種基材上的一種表面涂覆技術(shù)，該技術(shù)中的熔池中的物質(zhì)交換以及快速凝固過程研究是分析的重點(diǎn)。激光熔覆非晶涂層是非晶態(tài)合金拓寬應(yīng)用范圍的一個重要手段。然而具有較高非晶形成能力的合金系通常含有貴金屬成分，如Zr、Pd、Pt等，這些金屬一方面價格昂貴，另一方面在熔覆過程中易氧化，因此大多數(shù)激光熔覆非晶時需要惰性氣體保護(hù)倉或者二次重熔等手段，其工藝較為復(fù)雜，阻礙了非晶涂層的應(yīng)用和發(fā)展，因此通

2、過簡單工藝制備鐵鈷基等廉價合金系的非晶涂層具有重要的理論意義和實(shí)際的應(yīng)用價值。
　　本文利用激光熔覆技術(shù)，采用同軸送粉方式和熔池溫度實(shí)時反饋系統(tǒng)、一步法在低碳鋼表面上制備了鐵鈷基非晶復(fù)合涂層。主要研究內(nèi)容包括：熔覆工藝參數(shù)對熔覆層微觀組織、相結(jié)構(gòu)以及非晶形成能力的影響規(guī)律，熔覆層的微觀組織特點(diǎn)和相結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律和機(jī)制，熔覆層力學(xué)性能、電化學(xué)腐蝕性能和熱穩(wěn)定性等。主要研究成果如下：
　　針對FeCoBSiCNb合金體系，系統(tǒng)研

3、究了激光熔覆工藝參數(shù)對涂層微觀組織、相分布和非晶形成能力的影響規(guī)律和關(guān)鍵因素。研究結(jié)果表明激光的功率密度會影響熔覆層和基體之間的稀釋率，隨著激光功率密度的增加，稀釋率會隨之增大。稀釋率較低時，熔覆層以非晶相為主，與基體熔合線附近有柱狀樹枝晶→等軸晶→非晶的過渡現(xiàn)象，隨著稀釋率的增大，非晶相和枝晶相→非晶相的過渡現(xiàn)象都逐漸消失，熔覆層以細(xì)小的“雪花”狀枝晶組織為主，這些相包括Fe2B相和bcc-Fe相等。在保證稀釋率都比較低的基礎(chǔ)上，研究

4、了激光掃描速度對熔覆層中非晶相體積含量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光掃描速度越大，熔覆層中的非晶含量越高，當(dāng)激光掃描速度大于45mm/s時，熔覆層中的非晶含量可達(dá)90％左右。
　　觀察和分析了在激光功率密度273.79W/mm2、掃描速度50mm/s、送粉速度51.36g/min、保護(hù)氣15L/min時激光熔覆涂層的相和組織分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熔覆層主要由非晶相和彌散分布的NbC顆粒相（尺寸在200nm-500nm之間）組成，能譜分布顯示

5、，NbC顆粒相周圍富集B元素。從基體/熔覆層界面到熔覆層內(nèi)部的組織呈梯度分布：平面晶→胞狀晶→柱狀樹枝晶→等軸樹枝晶→非晶。XRD結(jié)果顯示：在熔覆層的最表層多以Fe2B和bcc-Fe相為主；熔覆層中部多以非晶相和NbC顆粒相為主；熔覆層與基體融合線附近多以bcc-Fe相為主。利用熱力學(xué)和動力學(xué)解釋了熔覆層的凝固組織中過渡組織的演變機(jī)制，即柱狀樹枝晶→等軸晶和等軸晶→非晶的轉(zhuǎn)變機(jī)制。柱狀枝晶尖端成分過冷、溫度梯度(G)/凝固速率(R)的減

6、小、異質(zhì)形核和對流作用是導(dǎo)致柱狀樹枝晶→等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變的主要原因；等軸樹枝晶尖端區(qū)過冷度ΔT的增大和固液界面的化學(xué)組分接近非晶形成能力高的名義成分是等軸樹枝晶→非晶轉(zhuǎn)變的主要原因。
　　系統(tǒng)測試了FeCoBSiCNb非晶復(fù)合涂層的力學(xué)性能和電化學(xué)腐蝕性能，并討論了NbC顆粒對熔覆層性能的影響。結(jié)果顯示以NbC顆粒嵌在非晶相中為熔覆層主要組織的非晶層的顯微維氏硬度約1245HV，壓痕形貌顯示顆粒相NbC對熔覆層的硬度值有貢獻(xiàn)。納米壓

7、痕測試結(jié)果表明，激光熔覆涂層中非晶相的納米顯微硬度平均值約為1756HV左右，彈性模量為314GPa，遠(yuǎn)高于涂層中的枝晶相和基體，熔覆層的非均勻鋸齒流變行為依賴于加載速率，當(dāng)加載速率較低時，出現(xiàn)鋸齒流變臺階，當(dāng)逐漸增加加載速率的時候，鋸齒流變現(xiàn)象逐漸消失。熔覆層的非晶相和NbC顆粒相區(qū)域的耐磨性要優(yōu)于枝晶相區(qū)，NbC顆粒在非晶相中可提高耐磨性，而NbC顆粒在枝晶相中時會導(dǎo)致該區(qū)域耐磨性降低。電化學(xué)腐蝕結(jié)果表明，熔覆層的耐腐蝕性優(yōu)于基體，

8、NbC顆粒相的存在會降低熔覆層的耐蝕性能。對熔覆層進(jìn)行不同溫度退火試驗(yàn)和在Tg溫度(526℃)不同退火時間的試驗(yàn)并對其進(jìn)行相、組織結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，熔覆層在600℃退火時開始發(fā)生晶化現(xiàn)象。當(dāng)退火溫度增加時，NbC顆粒相周圍富集的B元素發(fā)生了擴(kuò)散和重組，析出納米級的金屬間隙化合物Fe2B、Fe23B6等硬脆相，使得熔覆層的顯微硬度有所增加。在Tg溫度退火2小時，涂層非晶相中出現(xiàn)微區(qū)結(jié)構(gòu)弛豫現(xiàn)象，形成細(xì)小的納米晶相（bcc-Fe），導(dǎo)致涂