激光熔覆制备金属表面非晶涂层研究进展

陈明慧，朱红梅，王新林

(南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001)



激光熔覆制备金属表面非晶涂层研究进展

陈明慧，朱红梅，王新林

(南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001)

本文简要介绍非晶合金的结构和性能，以及传统制备块体非晶合金方法的局限性。结合激光熔覆技术的特性，重点综述在金属材料基体表面上利用激光熔覆技术制备Fe基、Zr基、Ni基、Cu基和其他非晶涂层的研究现状，以及激光制备工艺参数、微合金化元素种类和含量、增强相等因素对激光熔覆非晶涂层的影响。最后，指出利用激光熔覆技术制备非晶涂层的成分设计和控制、激光熔覆工艺的设计和优化、激光熔覆非晶涂层的基础理论研究等方面存在的主要问题和今后的发展方向。

激光熔覆；非晶涂层；影响因素；研究现状；发展方向

非晶合金又称金属玻璃，是将液态金属急速冷却使结晶过程受阻而形成的材料体系。一般具有以下几个基本特征[1-3]：(1) 结构上呈现拓扑密堆的长程无序，但也分布着几个晶格以内大小的短程有序；(2) 不存在晶界、位错、层错等结构缺陷；(3) 物理、化学和力学性能呈各向同性；(4) 热力学上处于亚稳态，有进一步转变为稳定晶态的倾向。因此，非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性和耐磨蚀性、较高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等，在机械加工、化工电子、国防军工等重要国民经济领域具有广阔的应用前景。

目前，制备非晶合金的方法主要有[4-6]：铜模铸造法、吸铸法、高压铸造法、挤压铸造法、水淬法、定向凝固法、机械合金化法等。然而，传统的非晶合金制备方法存在着一些不足，如机械合金化法进行合金化时所需时间较长，生产效率较低；而水淬法由于冷却速率较低，一般只能应用于非晶形成能力高的合金体系；此外，大部分方法所制备的非晶合金尺寸受限，块体非晶合金制备困难。而在廉价金属基体表面制备非晶态合金涂层，可充分发挥非晶合金的优异性能，有效改善基体的表面性能。

近年来，国内外研究者们利用激光快热快冷的特点，在金属材料表面制备具有优异性能的非晶涂层方面取得了一些成果和进展。激光熔覆技术是利用预置粉末法或同步送粉法将涂层粉末放置在被熔覆的基材上，经高能密度激光束扫描后使涂层粉末和基材表面同时熔化并快速凝固，从而形成与基材呈冶金结合的表面涂层的工艺过程[7,8]，具有如冷却速率快(高达 106K/s)、涂层与基体易形成冶金结合、热影响区小、工件变形小、易于实现自动化、无污染等一系列特点。激光熔覆制备非晶涂层是近三十年发展起来的一种新工艺，与其他非晶涂层制备技术相比，利用激光熔覆法所制备的非晶涂层存在明显的优势，如涂层中裂纹和气孔等缺陷较少、涂层稀释率低、熔覆层的尺寸控制精度高且尺寸不受限等，该技术适用于制备所有非晶涂层体系且生产效率高易实现工业化应用，故目前已成为制备非晶涂层的主要新型方法之一[9,10]。本论文重点综述利用激光熔覆技术在金属材料基体表面制备非晶涂层体系的国内外研究现状，指出了目前该研究应用领域存在的主要问题和今后的发展方向。

1 激光熔覆非晶涂层体系

目前，利用激光熔覆技术制备金属表面非晶涂层体系主要有：Fe基、Zr基、Ni基、Cu基以及部分其他非晶涂层，学者们的研究工作主要集中在非晶涂层成分和激光工艺参数对所制备非晶涂层组织和性能的影响方面。

1.1 Fe基非晶涂层

Fe基非晶合金具有优异的物理性能、化学性能和力学性能，且因其价格低廉在工业应用上具有较大的潜在价值[11]。国内，郑启光等[12]早在中碳钢表面激光熔覆制备Fe40Ni36Cr2Si8B14非晶涂层，发现涂层由非晶和微晶组成，其中微晶结构的出现主要是由于Si，B非金属元素在熔覆过程中发生烧损而使其含量降低引起的。Wu等[13]利用激光熔覆技术在AISI 1045钢上制备Fe57Co8Ni8Zr10Si4B13非晶涂层，最大厚度为1.2mm，硬度高达1270HV，并具有良好的耐蚀性。Ye等[14]在304L不锈钢上激光熔覆制备Fe-Cr-Mo-W-Mn-C-Si-B非晶复合涂层。结果表明，涂层由晶相和非晶相组成，非晶含量随沉积层数增加而增大，非晶相的显微硬度(1591HV)明显高于晶相(947HV)，耐磨性因非晶相的存在而显著提高。Xu等[15]在碳钢表面利用激光熔覆技术制备获得15mm的 Fe基非晶-纳米晶复合涂层，在650℃的Na2SO4+ K2SO4熔融盐中具有良好的耐热腐蚀性能。Shravana等[16]在AISI 4130钢表面激光熔覆原位合成了Fe48Cr15Mo14Y2C15B6非晶复合涂层，并通过构建热力学模型研究激光加工过程中温度和冷速的变化，发现虽然激光熔覆过程的冷速远大于非晶相形成所需的临界冷速，但由于生成的氧化物Y2O3和碳化物M23C6可作为异质形核中心，降低了涂层的非晶形成能力，故涂层由晶相和非晶相组成。此外，还发现该非晶复合涂层的耐腐蚀性较基体有显著提高，但激光能量密度对涂层耐蚀性影响较大，在较低能量密度下(26～36J/mm2)涂层的腐蚀行为与大块非晶金属相似故耐蚀性优异，随着激光能量密度的增大，涂层中形成较多的氧化物Y2O3和碳化物M23C6，非晶比例下降，从而耐蚀性降低[17]。

激光工艺参数显著影响所制备非晶涂层中的非晶含量和性能。王彦芳等[18-20]采用预置粉末法在304L不锈钢基材上激光熔覆Fe75.5C7.0Si3.3B5.5P8.7和Fe64.7Cr19.2Si2.0P14.1非晶涂层，并探讨扫描速率(200～500mm/min)对非晶涂层组织性能的影响。研究表明，当扫描速率为400mm/min时非晶含量最高，涂层主要由非晶相以及Fe2Si和Fe3P等金属间化合物组成，晶化温度约为793～835K，热稳定性较高，显微硬度为821.3HV，耐磨性最佳。Chena等[21]研究激光扫描速率(110～130mm/min)对碳钢表面激光熔覆制备的 Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2非晶涂层耐酸蚀性的影响。结果表明，非晶涂层的耐蚀性随着激光扫描速率的增大而降低。达则晓丽等[22]研究不同激光功率(1050～1600W)对低碳钢表面激光熔覆Fe41.2Co43.5B4.25Si2.76Nb0.22非晶合金涂层的影响。发现由于涂层的稀释率随激光功率增加而变大，故涂层中的非晶含量和平均硬度值随激光功率增加而降低，当激光功率为1050W时，非晶涂层的平均硬度为1100HV，为基材的5倍。戴文攀等[23]在45钢表面上进行激光熔覆Fe60Nb20Ti20非晶合金粉末试验，并采用正交试验法优化了激光功率P、扫描速率V和涂层厚度H工艺参数。研究表明：P较低时非晶粉末熔融量过少，而P过高时产生等离子体使温升加大，两者均易导致涂层缺陷形成；提高V可降低涂层稀释率从而降低裂纹倾向，但V过大时则稀释率过低，合金元素在熔覆层中的溶解量变少而影响涂层的性能；H太厚则粉末与基体不能及时形成冶金结合，但H太薄则合金元素在涂层中呈非均匀分布。故优化的工艺参数为P=350W，V=240mm/min，H=0.25mm，所制备的涂层组织形貌和性能最佳。此外，Manna等[24]尝试在AISI 1010钢上激光熔覆非晶形成能力较强的Fe94B4C2, Fe75B15Si10和Fe78BC10Si9Al2C13种粉末涂层，虽然耐磨性较基体都有较大提高，但因实验采用的激光工艺参数不合适而未获得非晶组织。

同时，微合金化元素的种类和含量对涂层中的非晶形成能力具有较大影响，添加合适的微量合金元素形成多组元材料体系是有效改善非晶涂层组织性能和提高非晶形成能力的有效途径之一[25-30]。Zhang等[25]通过添加不同的Si含量激光熔覆制备Fe32Ni32Si16B18Nb2, Fe31Ni31Si18B18Nb2和Fe30Ni30Si20B18Nb23种非晶复合涂层。结果表明，当Si原子比为18%时，Fe-Ni-B-Si-Nb涂层中非晶比例最大为51%，耐磨性最佳。Zhu等[26-28]利用激光熔覆技术在低碳钢上制备[(Fe0.5Co0.5)0.75B0.2Si0.05]95.7Nb4.3非晶涂层，添加C元素后新形成的Fe34Co34B20Si5C3Nb4非晶涂层中由于NbC硬质相的生成进一步提高了非晶涂层的性能，硬度峰值可达1245HV，为基体的6倍。朱庆军等[29]研究了稀土RE微合金化对激光熔覆制备Fe38Ni30Si16B14V2非晶复合涂层的影响，发现稀土RE元素提高了涂层非晶形成能力且改变了涂层的结晶体系，但降低了涂层显微硬度。Zhu等[30]在AISI 1045钢上利用激光熔覆技术制备了Fe38Ni30-XSi16B14V2MX(X=0,1,2) (M为Al, Ti, Mo, C)非晶复合涂层。结果表明，当X=1时，复合涂层中的非晶比例达到最大，且性能最佳；X的数值继续增大时，非晶比例下降。X的数值(即微合金化元素含量)不仅影响涂层中的非晶比例，而且还影响结晶颗粒的形状大小和分布。

此外，非晶涂层体系中本身元素的添加形式对其非晶形成能力存在一定影响。朱庆军等[31]研究了激光熔覆Fe-Ni-Si-B非晶涂层的形成条件。发现B元素以硼铁形式加入比硼粉更有利于形成非晶层，Si 含量对合金非晶形成能力有明显影响，其原子比为16%时，非晶形成能力达到最大。张培磊等[32]采用激光熔覆+重熔的复合工艺在低碳钢基体上制备了Fe31Ni31Si18B18Nb2非晶复合涂层，发现以铌铁形式添加的Nb元素可抑制Ni2Si和Ni2B晶相组织的形成，比铌粉形式加入更有利于非晶组织形成。

1.2 Zr基非晶涂层

Zr基非晶合金因其玻璃形成能力高和理化性能优异，已成为非晶领域研究热点之一。目前文献报道的激光熔覆Zr基非晶涂层研究主要集中在纯钛、碳钢和Inconel 625合金基体上制备Zr-Al-Ni-Cu非晶合金体系[33-41]。李刚等[33-37]在纯钛基体上激光熔覆Zr65Al7.5Ni10Cu17.5合金粉末，得到含非晶、纳米晶和金属间化合物(Al2Zr3, CuZr2和Zr2Ni)的复合组织涂层。Guan等[38]发现在碳钢上激光熔覆Zr63.8Al11.4Ni17.2Cu7.6的非晶形成能力比传统的Zr65Al7.5Ni10Cu17.5更强，熔覆层主要由非晶相、金属间化合物以及金属氧化物组成。Ye等[39]在Inconel 625合金表面激光原位合成Zr65Al10Ni10Cu15非晶复合涂层。研究表明，由于该涂层非晶形成能力较强，在较低的激光扫描速率(10mm/s)条件下即可获得较高的非晶含量，随着扫描速率的增大而非晶含量下降。此外，涂层中的非晶含量首先随激光功率的增大(150～250W)而升高，但过高的激光功率(300～350W)易产生较厚的热影响区使得涂层中先形成的非晶相发生晶化，导致非晶含量降低。故选择适当的工艺参数(P=250W，V=10mm/s)时，涂层中非晶含量最高，性能最佳。值得指出的是，微合金化元素对激光熔覆制备Zr-Al-Ni-Cu锆基非晶具有较大影响，添加C, B, Si, 稀土等元素可增大体系原子尺寸差异、体系混乱度以及体系的长程无序性，从而使得涂层组织中的非晶比例提高[34,35,40,41]。

部分学者[42-45]利用激光熔覆技术在镁基体上制备了Zr-Al-Ni-Cu非晶涂层，并研究了增强相的添加对非晶涂层的影响。黄开金等[42]在AZ91D镁合金表面激光熔覆添加了TiC增强相的Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金粉末，获得了TiC和原位生成ZrC共同增强的Zr基非晶复合涂层。研究表明，熔覆层由非晶和金属间化合物组成，当TiC添加量为10%(质量分数)时，耐磨性较基材提高了16倍。Yue等[43-45]在纯镁基体表面制备了Zr65Al7.5Ni10Cu17.5激光熔覆非晶涂层，并进行了多层熔覆和添加SiC增强相的研究。结果表明，涂层可明显分为3层：最表层的非晶层、中间层的非晶-纳米晶复合层和底部的晶相层。因此，涂层的性能也呈现逐层变化，其中非晶-纳米晶复合层比单纯的非晶层具有更高的硬度和耐磨性，两者显著提高了镁基材的硬度、耐磨性和耐蚀性。SiC增强相的添加进一步提高了非晶涂层的硬度和耐磨性，但由于其腐蚀行为主要发生在SiC颗粒和镁基体的界面，耐蚀性有所下降。

1.3 Ni基非晶涂层

Ni基非晶合金具有低成本、高热稳定性、良好的力学性能、高磁导率、优异的高频磁性能和低磁滞损耗等一系列特性，在耐蚀和耐磨涂层、变压器、磁屏蔽等领域得到越来越多的应用[46]。

Yoshioka等[47]于1987年首次在低碳钢表面利用激光熔覆技术成功制备了Ni-Cr-P-B非晶合金涂层。随后，阎毓禾等[48]在40Cr钢、Cr12钢、工业纯铜3种基体上激光熔覆制备了Ni-Nb(-Cr)非晶涂层，由于Cr可在表面形成钝化膜，Ni-Nb-Cr非晶涂层的耐腐蚀性优于Ni-Nb非晶涂层。李瑞峰等[49-52]采用激光熔覆+重熔的复合工艺在低碳钢上制备Ni40.8Fe27.2B18Si10Nb4非晶复合涂层。结果表明，涂层主要由非晶相和NbC相组成，其中非晶比例随重熔扫描速率增加而增大，当重熔扫描速率为8m/min时，非晶比例达到峰值(64%)，非晶复合涂层的显微硬度(1227.9HV)为基材的6倍，大于同成分大块非晶。虽然因晶界的存在，非晶复合涂层较同成分大块非晶耐腐蚀性稍差，但仍高于316不锈钢。

近年，一些学者[53-58]利用激光熔覆技术在45钢上表面制备了Ni基非晶涂层。Wu等[53]在45钢表面上激光熔覆制备了厚度最高可达0.8mm且具有较大玻璃形成能力的Ni66Cr5Mo4Zr6P15B4纯非晶涂层。李刚等[54-58]在45钢上激光熔覆制备了一系列Ni基非晶复合涂层(Ni59.35Nb34.45Sn6.2, Ni42Zr30Ta28, Ni60.5Zr19.63Nb18.07Al1.8, Ni60Zr20Nb15Al5)，并研究了在不同激光功率下(2.7～4.2kW)所得到涂层的微观组织、力学性能及耐腐蚀性能。结果表明，不同Ni基非晶涂层都由非晶相和金属间化合物以及氧化物组成，激光功率对涂层中非晶含量有较大影响。当功率较小时，合金层成分来不及均匀化甚至于部分高熔点粉末没有完全熔化就开始凝固，不利于非晶相的形成，故涂层中非晶含量首先随着激光功率的增大而增加。达到峰值后，随着激光功率的进一步增大，导致熔池过热和基体稀释率增大而使合金系偏离非晶成分，非晶相比例减少。所制备的非晶合金涂层显著提高了45号钢基材的力学性能和耐腐蚀性能。

此外，Wang等[59,60]探讨了在镁合金表面激光熔覆Ni基非晶涂层。他们依据团簇线判据理论优化设计了Ni-Zr-Al非晶合金成分，在AZ91HP镁合金表面激光熔覆制备了Ni60.16Zr33.84Al6合金涂层。研究表明，熔覆层主要由非晶相、Ni21Zr8和Ni10Zr7金属间化合物组成，硬度高达930HV且具有良好的耐磨和耐蚀性能。涂层中非晶相的比例随着扫描速率的增加呈现先增后降的变化趋势，非晶相含量和硬度在扫描速率为10mm/s时达到最高，但涂层的耐磨和耐蚀性受扫描速率影响不大。Luo等[61]在钛合金(Ti-3Al-5Mo-5V-4Cr-2Zr)表面激光熔覆Ni59Zr16Ti13Si3Sn2Nb7非晶复合涂层。发现涂层中非晶含量约为50%，其玻璃转变温度(Tg)和晶化温度(Tx)分别为750K和880K，表明制备的Ni基非晶涂层具有良好的热稳定性。

1.4 Cu基非晶涂层

Cu基非晶合金具有明显的塑性变形能力和良好的抗腐蚀性能，与晶态合金相比弹性伸长率更大，弹性模量更低，且抗拉强度和屈服强度更高，具有优异的延展性[62]。Tsai等[63]在Zr基材上通过改变送粉速率设计梯度成分涂层，研究了CuxZr100-x(x=61～76)体系粉末在激光作用下的非晶形成能力。结果表明，当Cu原子比为62%～67%时，沉积层主要由非晶相组成，最优成分配比为Cu64.7Zr35.3。刘红宾等[64，65]利用激光熔覆技术在镁合金表面制备了Cu58.1Zr35.9Al6非晶复合涂层，发现涂层主要由非晶和Cu-Zr二元金属间化合物组成，具有高的硬度、弹性模量、耐磨性及耐蚀性。Huang等[66，67]研究了20%(质量分数) SiC的添加对AZ91D镁合金表面激光熔覆Cu47Ti34Zr11Ni8涂层的影响。结果表明，涂层主要由非晶相和金属间化合物组成。添加的SiC一方面可通过自身的分解形成硅化物和碳化物来提高非晶形成能力，另一方面可作为增强相提高涂层的硬度和耐磨性。

激光工艺参数对Cu基非晶涂层的制备和性能有较大影响。高亚丽等[68]研究了光斑输入模式对AZ91HP镁合金表面激光熔覆Cu58.1Zr35.9Al6非晶复合涂层的影响。结果表明，采用矩形光斑时，由于激光能量密度分布均匀所致熔池的冷速较低，涂层的非晶形成能力较差，所制备的涂层中不含非晶相。而采用圆形光斑时，激光能量密度分布集中，涂层组织由非晶(含量为60.56%)和纳米晶组成，圆形光斑所制备的非晶复合涂层的耐磨性优于矩形光斑所制备的晶体相涂层。Gao等[69]还研究了激光扫描速率(0.5～2m/min)对非晶复合涂层制备的影响，发现非晶相含量随着激光扫描速率的增大而升高，在2m/min时达到最大值60.56%。扫描速率对涂层的硬度和耐蚀性也具有明显影响。一方面随着扫描速率的增加，熔池的冷速增加，从而导致非晶相的密度下降，非晶相硬度下降；另一方面随着扫描速率的增加，晶相晶粒细化，硬度上升，故硬度峰值出现在1m/min。然而，由于非晶相能快速形成钝化膜而防止点蚀，故涂层的耐蚀性则随扫描速率增加而增加，最佳值出现在2m/min。

1.5 其他非晶涂层

Li等[70]采用Al3Ti-TiB2-(Ni包覆WC)混合粉末在Ti-6Al-4V钛合金上进行激光熔覆实验，并研究了添加Al2O3-Y2O3和Ce-Al-Ni非晶合金粉末对涂层组织性能的影响。结果表明，添加Al2O3-Y2O3后，一方面由于在高温激光作用下从预置粉末中释放出大量B和C原子，在短程范围内B和C原子排列混乱导致固/液界面能上升从而促进非晶相的形成；另一方面由于激光熔池的冷速较快，Si基(Si原子来源于黏接剂水玻璃)和Y基(Y原子来源于Y2O3)非晶相易于形成。因此，所制备的激光熔覆层为非晶-纳米晶复合涂层，在细晶强化、固溶强化、非晶相和硬质相强化的共同作用下，涂层硬度为基体的3.5倍(1400HV)，磨损量仅为基体的1/6。在此基础上再添加2.5%(质量分数) Ce-Al-Ni非晶合金粉末，虽然所获得的涂层组织有所粗化，但因其本身性能优异，故涂层的显微硬度值和耐磨性均变化不大。同时，Li等[71]采用Co-Ti-B4C-Zn-Y2O3混合粉末在相同的基体表面激光熔覆制备了非晶-纳米晶涂层。结果表明，涂层由非晶相和Co5Zn21, TiB2纳米相组成，其中纳米相可有效阻碍位错的运动和细化晶粒从而提高涂层性能。添加1%(质量分数)Y2O3一方面可作为异质形核中心而细化晶粒，另一方面可抑制涂层晶化而使得非晶相含量增加。此外，姚军等[72]在AZ91D镁合金表面利用激光熔覆技术制备了Ti74Ni20Si4B2涂层，涂层中虽然形成了TixNi94-xSi4B2准非晶成分，但其非晶形成能力较低。华中科技大学的于玮[73]尝试在ZL114铝合金表面激光熔覆制备 Al-Ni-Y 非晶合金涂层，成分配比为Al79Y7.5Ni13.5和 Al72Y10Ni18(原子分数/%)，但由于在熔池凝固过程中发生了严重的成分偏析现象，涂层中未形成非晶相。

2 存在的主要问题和发展趋势

激光熔覆技术制备非晶涂层方面的研究经过近三十年的发展，在非晶体系开发、激光工艺及涂层性能优化等方面积累了大量的实验数据和理论基础，但至今尚未大规模应用于实际工业生产中[7]。目前，国内外学者对激光熔覆非晶涂层的研究主要集中在碳钢、钛合金、镁合金等金属基体上熔覆Fe基、Zr基、Ni基、Cu基非晶涂层或非晶复合涂层的显微组织和性能方面，并探讨了粉末成分和激光工艺参数的影响，但对于如何有效调控激光熔覆非晶涂层的组织性能及其相关基础理论仍需深入探讨和研究。因此，今后利用激光熔覆技术制备非晶涂层研究可主要集中在以下几个方面：

(1) 激光熔覆非晶涂层的成分设计和控制方面

非晶涂层的成分设计不同于块体非晶的成分设计。非晶涂层成分由于受基体外延生长层成分及熔池流动传质过程的影响，往往会偏离设计的名义成分，这对成分敏感的非晶合金制备是非常不利的。同时，在高温激光熔覆过程中不可避免地存在合金元素发生部分氧化和烧损等问题。因此，要想制备高质量的非晶熔覆涂层必须在块体非晶合金成分设计的基础上，结合激光熔覆技术本身的工艺特点，设计出适合激光熔覆条件下形成的非晶合金体系成分。

添加微合金化元素/增强相是进一步提高激光熔覆非晶涂层性能的有效途径之一。微合金化元素及其含量对涂层非晶形成能力和纳米晶第二相的析出存在明显影响，其中微合金化元素的作用主要有[25,29-31,34，35,40，41]：改变合金的结晶体系，降低涂层中晶化相的比例；增大体系原子尺寸差异、体系混乱度以及体系的长程无序性；降低氧含量，从而提高涂层的非晶形成能力。但过高的微合金化元素含量会导致合金较大偏离其共晶成分，涂层的非晶形成能力下降。故合理选择微合金化元素和含量并建立相关微合金化理论模型来有效提高非晶形成能力及掌控纳米晶第二相的形态学和晶体学特征是一个亟待解决的关键科学问题。对于增强相的添加[42,45,67,70，71]，一方面在高温激光过程中增强相可释放出相应的原子，产生微合金化作用；另一方面增强相需要吸收部分热量而熔化，降低了基体的稀释率，两者均可提高涂层的非晶形成能力；同时由于增强相本身性能优异故可明显改善涂层性能。类似地，添加的增强相含量不能过多，否则热量不足以完全熔化高熔点的增强相，残留的粉末颗粒可成为异质形核中心，导致涂层的非晶形成能力下降。对于通过外加或内生增强方式，如何有效控制增强相的尺寸、结构、体积分数和分布等是提高非晶合金涂层性能的关键。

在新型非晶涂层体系开发方面，近年利用激光熔覆技术主要集中在熔点较高的Fe基、Zr基、Ni基、Cu基等非晶涂层，在应用于低熔点基体如镁合金、铝合金等金属材料表面时因物性差异较大导致涂层-基体间应力较大和结合力较差等问题。而目前有关激光熔覆制备低熔点非晶涂层如Al基和Mg基非晶体系方面的研究鲜见，因而可设计非晶形成能力较高的铝基和镁基非晶粉末用于低熔点基材的激光熔覆处理。此外，多功能性和多元体系的非晶合金成分设计是今后激光熔覆非晶涂层材料的重要发展方向。如高性能多组元高熵合金由于组成元素之间存在原子尺寸差异，易引起晶格发生畸变使原子呈无序排列，从而可形成非晶相，故可参考高熵合金成分设计原则来获得非晶复合涂层。

(2) 激光熔覆非晶涂层的工艺设计和优化方面

激光熔覆工艺参数与非晶涂层组织，特别是涂层中的非晶含量有较大关系。一般认为[22,39,57，58]，涂层中非晶含量首先随着激光功率的增大而升高达到峰值后呈下降趋势，这主要是由于过低的激光功率会导致涂层中成分不均匀而不利于非晶形成，但过高的激光功率会导致涂层稀释率过大且容易发生晶化从而降低非晶含量。对于扫描速率的影响，大部分学者[18-20,59，60,69]认为较大的扫描速率会导致熔池冷速加快而易于获得较高的非晶含量，但一部分学者[39]指出对于非晶形成能力较强的合金体系，较低的扫描速率即可获得较高的非晶含量，较大的扫描速率反而导致熔池凝固时间太短，合金元素不能发生充分扩散而引起局部成分不均匀，偏离非晶形成的成分范围，从而降低非晶含量。此外，目前国内外对其他激光熔覆工艺参数如光斑大小、预置粉末厚度或同步送粉速率对非晶涂层形成影响方面的研究报道较少。因此，揭示典型激光工艺参数对非晶形成能力和涂层性能的影响规律和微观机制，以及如何通过调控激光工艺参数来掌控非晶复合涂层中非晶相的比例是激光熔覆非晶涂层的一个重要研究方向。

同时，通过激光熔覆是获得大面积、大厚度非晶涂层的有效途径，而激光多道熔覆和激光多层熔覆中搭接部位的微观组织控制是激光熔覆制备高质量非晶涂层的关键技术问题之一。此外，对激光熔覆非晶涂层进行后续激光快速重熔或热处理有望获得综合性能优异的非晶-纳米晶复合组织，后续激光快速重熔或热处理方式对非晶组织以及纳米晶相析出的影响仍需进一步深入研究。

(3) 激光熔覆非晶涂层的基础理论研究方面

激光熔覆制备非晶涂层是一种非平衡的动态过程，其快热快冷过程中的相变热力学、动力学、扩散行为和界面行为等需要用相关相变理论和界面理论来解释。因此，须探讨激光熔覆条件下的凝固行为，特别是一些亚稳相和非晶的形成规律，系统研究在远离平衡条件下的凝固动力学和结晶学，丰富和完善快速凝固理论；深入探究激光熔覆非晶涂层过程中的相变和界面行为，真正解决基体与涂层、基体与第二相颗粒等的结合强度等重要问题，并逐渐建立起合理有效的数学模型，从而为获得优异的非晶涂层奠定理论基础。此外，激光非晶晶化内在机制的研究是今后研究的重点之一。因此，可利用计算机仿真技术，模拟实际制备条件，并采用先进的分析软件如有限元技术模拟物质与激光束相互作用的温度场和熔覆层的应力场分布，为熔覆过程中的工艺参数优化提供理论参考和依据。

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(本文责编：杨 雪)

Research Progress on Laser Cladding Amorphous Coatings on Metallic Substrates

CHEN Ming-hui,ZHU Hong-mei,WANG Xin-lin

(School of Mechanical Engineering,University of South China,Hengyang 421001,Hunan,China)

The microstructure and property of amorphous alloy as well as the limitations of the traditional manufacturing methods for the bulk amorphous alloy were briefly introduced in this paper. Combined with characteristics of the laser cladding technique, the research status of the laser cladding Fe-based, Zr-based, Ni-based, Cu-based and Al-based amorphous coatings on the metal substrates were mainly summarized. The effects of factors such as laser processing parameter, micro-alloying element type and content and reinforcing phase on the laser cladding amorphous coatings were also involved. Finally, the main problems and the future research directions of the composition design and control of the laser-cladded amorphous coating, the design and optimization of the laser cladding process, and the basic theory of the laser cladding amorphous coatings were also put forward finally.

laser cladding; amorphous coating; influence factor; research progress; development direction

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000459

TG174.4

A

1001-4381(2017)01-0120-09

国家自然科学基金(51201088)；湖南省自然科学基金(2015JJ3109)；南华大学青年英才支持计划(2014-002)；湖南省重点学科建设项目联合资助课题(湘教发[2011]76号)

2015-04-20;

2016-03-23

朱红梅(1982-)，女，副教授，硕士生导师，博士，主要从事金属材料激光表面改性方面的研究，联系地址：湖南衡阳南华大学机械工程学院(421001)，E-mail：meizihong999@126.com