摘要：文章旨在研究在基板底部添加散热或加热板，以此控制基板的初始温度。探讨不同基板预热温度对激光熔覆制备Fe基非晶复合涂层组织和性能的影响。研究结果表明，随着温度的升高，Fe基非晶合金涂层的晶粒尺寸逐渐增大。此外，通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术分析，发现不同温度条件下涂层中的相变影响了涂层的力学性能。在温度板为0℃条件下，Fe基非晶合金涂层展现出较好的综合性能；在温度板为200℃条件下，各元素的固熔度较高，且碳化物含量增加导致Fe基非晶合金涂层样品的显微硬度也达到950HV的峰值。通过文章研究，以期为优化Fe基非晶合金涂层的应用提供理论依据和实践参考。

　　关键词：激光熔覆；Fe基非晶合金；力学性能；预热温度

　　随着冶金工业的迅猛发展，设备和部件在高温、高压和强腐蚀等恶劣环境下的长期应用，对其材料的耐磨性和使用寿命提出了更高的要求[1]。Fe基非晶合金涂层因其优良的力学性能和耐磨特性，在航空航天、汽车及电子等行业得到了广泛应用[2]。激光熔覆技术能够有效地在基材表面形成这些合金涂层，显著提升材料的抗磨损和抗腐蚀能力[3-4]。然而，涂层的微观结构和性能与基板的预热温度密切相关，这一关系尚需深入探讨[5]。文章旨在系统分析不同基板预热温度下，Fe基非晶合金涂层的微观结构特征及其对力学性能的影响，为优化激光熔覆工艺和提升涂层性能提供理论依据。

　　1研究方法

　　1.1基板选择

　　基板选择尺寸为200mm×50mm×5mm的Q235钢材作为基底。在熔覆之前，使用Al2O3颗粒，通过喷砂设备，对基板表面进行抛光，目的是打磨表层以去除杂质，确保表面干燥且无污渍。

　　1.2粉末制备

　　使用工业原料制备的铁基合金粉末，成分为Fe56.75 Si4.5Cr22Mo2C0.15B1.6Ni13（重量百分比）。该粉末通过球磨机制备，物料从球磨机的进料端空心轴投入筒体内。当球磨机的筒体开始旋转时，落下的研磨球像抛射物一样将筒内物料击碎。为了确保混合均匀，预先准备了各目标元素的单质颗粒，颗粒越细，混合粉末的均匀性越好。在称量金属单质时，务必保证质量准确，且金属原料的纯度需在99.9wt%以上。将金属颗粒装入筒体后，使用球磨机连续混合8h，以实现充分混合并确保成分均匀。

　　Fe基非晶粉末的微观形貌，如图1所示，从图1中可观察到粉末颗粒呈现出光滑的表面，并呈现球形或椭球形。这种形状使其在激光作用下能够充分熔化，且具备优良的流动性，能够有效提高涂层的质量。

　　1.3激光熔覆工艺过程

　　激光工艺参数如表1所示。采用4kW脉冲光纤激光器，在Q235结构钢表面喷涂Fe基非晶粉末，并通过激光熔覆技术制作不同温度板下的涂层。为防止基板在激光照射过程中发生位移或振动，采用压夹装置将基板牢固固定在工作台上，从而保持熔覆层的几何精度和形貌一致性。散热板采用软铜材料制成，内部循环冷却水，冷却水温度保持在0℃。加热板即在温度板上安装热电偶，实时监测温度，并根据设定值自动调节热量输入或输出维持温度板固定温度。持续监测温度变化，确保控制系统能够及时反应，维护与设定值的温度一致。在加热板温度为固定值25℃、50℃、100℃、200℃条件下在选定的位置逐层熔覆样品。

　　1.4涂层表征分析方法

　　（1）涂层样品的物相分析使用Rigaku Ultima-Ⅳ型X射线衍射仪，扫描角度范围为20o~90o，扫描速率为10毅/min。

　　（2）为了对涂层微观组织进行分析，使用型号为JSM-6360LV扫描电子显微镜（SEM）进行观察。分别观察3000倍下的微观组织。

　　（3）使用维氏硬度计测量涂层的显微硬度（HV）。首先，清除硬度测试样品表面的划痕，然后使用抛光膏进行抛光。将待测面朝上放置在压头下方，在500倍放大下调整图像至最清晰的位置，随后加载压痕。选择载荷为9.8N，保持载荷15s，等待卸载后，调整目镜，测量两条压痕对角线的长度D1和D2，自动计算维氏硬度HV。在加载和卸载过程中，确保实验台稳定，避免任何抖动。对于材料表面，平行且等距地选择5个测试点，间隔为0.2mm，并计算测得硬度的平均值。处理数据后，生成表面平均硬度图。

　　（4）在耐磨损性能测试之前，将待测试的熔覆层表面打磨平整，并使用MFT-3000型多功能摩擦磨损试验机进行磨损实验。试样尺寸为15mm伊10mm伊6mm，摩擦小球采用直径为12.7mm的440C不锈钢球。磨损实验的相关参数：载荷为50N，频率为10Hz，持续时间为1h。

　　2实验结果与分析

　　2.1 XRD物相分析

　　不同基板预热温度对材料相组成的影响。图谱中的主要相包括α-Fe、M23（CB）6和SiC。不同温度（0℃、25℃、50℃、100℃、200℃)下的衍射强度与2θ之间的关系展示了不同相的存在。α-Fe是均有出现的主要相。M23（CB）6相在不同温度下的变化表明其在高温时的析出倾向，尤其是在200℃时表现出更高的强度。SiC也在部分温度范围内被观察到，其含量可能对材料的硬度和耐磨性产生重要影响。在高温下，SiC能够与基体材料形成更强的结合，提升了涂层的硬度。在低温（0℃)下，主要以α-Fe相为主，M23（CB）6的存在并不显著。到50℃时，M23（CB）6的强度开始显现，说明温度的上升促进了其形成。在100℃和200℃的高温条件下，M23（CB）6的强度更突出，表明其在高温环境中较为稳定。
      2.2 SEM图分析

　　为了深入分析微观结构，对熔覆层表面进行3000倍的扫描电子显微镜观察，如图2所示。在0℃和50℃下，涂层显示出相对细小且均匀的柱状晶体和枝状晶体结构，如图2（a）、图2（b）所示。随着温度升高至100℃,涂层的微观组织开始发生显著变化，晶粒开始聚合，形成更加复杂的网络结构，如图2（c）所示。在200℃时，涂层呈现出明显的宏观柱状晶体，晶粒尺寸显著增大，如图2（d）所示。这说明，不同的基板预热温度会导致晶粒结构和尺寸的变化。在低温区（0℃与50℃),涂层展现出均匀且细小的晶粒，主要以柱状晶体为主。这种微观结构的形成与快速冷却密切相关，冷却过程中的温度梯度抑制了原子的运动，进而形成了非晶态特征。当温度提升至50℃时，微观结构仍保持相对均匀，但晶粒的尺寸略有增大，这一变化可能是由温度上升引起的部分原子扩散所致。温度升高至100℃时，晶粒开始明显增大，形成更加复杂的微观网络结构，部分晶粒之间出现相互连接的趋势。在高温区（200℃)时，涂层显示出显著的宏观柱状晶体结构，晶粒尺寸显著增大，形成了明显的柱状结构。

　　2.3表面硬度测试结果

　　如图3所示，不同基板预热温度下的硬度变化趋势显著，这反映出温度对Fe基非晶合金涂层的微观结构及其力学性能的深远影响。硬度不仅是材料抗形变和抗磨损能力的一个重要指标，还与其相组成、晶粒结构及冷却速率等因素密切相关。当温度板温度为0℃时，硬度达到约900HV，这一现象主要源于迅速的冷却速率。这种冷却使得晶粒形成较小的尺寸，细小的晶粒能够显著提高涂层表面的硬度。此时，涂层内的非晶相主导，且微观结构的无序排列能有效阻止位错的运动，从而增强材料的硬度。随着温度升高至25益和50℃时，硬度显著下降至750HV。这一趋势与冷却速率的减慢密切相关。当冷却速率降低时，晶粒会发生长大，增强了材料的塑性，但同时降低了硬度。此外，M23（CB）6和SiC等坚硬相的析出不足，加之琢-Fe相的比例相对增加，导致涂层的脆性增加。α-Fe相的存在使得涂层在受到外部冲击或摩擦时更容易发生局部破裂，从而导致硬度的降低。在中温条件下材料的结构变化对性能的直接影响。当基板温度升高至100℃和200℃时，硬度又重新上升。这一现象主要得益于M23（CB）6和SiC相的逐渐析出，形成了增强的相和组织。高温有助于促进这些坚硬相的形成与均匀分布，进而提升涂层的整体硬度。特别是在200℃时，二者的析出充分发展，使硬度接近950HV，达到实验的最高值。M23（CB）6和SiC相作为硬化相，提高了Fe基非晶合金涂层的表面硬度。

　　2.4摩擦磨损性能测试结果

　　随着基板预热温度的升高，摩擦系数的变化趋势也有所不同：在温度为0℃时：摩擦系数在起始阶段摩擦系数较高，之后逐渐下降。低温下材料表面可能因润滑不足导致较高的摩擦系数，且材料的韧性和耐磨性可能较差，导致更多的接触磨损。随着时间的推移，初始的磨损可能会导致表面粗糙度的降低，从而使摩擦系数降低。当温度为25益时：摩擦系数表现得相对稳定。弹性和塑性变形平衡，摩擦性能较好表面润滑效果最佳，保持了较低的摩擦系数。当温度升至50℃时：摩擦系数略微增加，但整体趋势依然稳定。温度稍高可能导致材料的表面温度升高，引起轻微的热膨胀和降低的一定的润滑效果，从而导致摩擦略有上升。随着温度升高至100℃和200℃时：摩擦系数显著增加，尤其是在200℃下摩擦系数变得更加不稳定，波动性更大。过高的温度可能导致摩擦材料的明显温度效应，如软化、热膨胀、相变等。这些变化直接影响了材料的摩擦性能。此外，在高温条件下，表面氧化层或润滑剂的退化更为严重，导致摩擦系数的剧烈变化，形成瞬时的高摩擦系数。这种不稳定性不仅影响了材料的耐磨性，也可能对设备的整体性能和寿命产生负面影响。此外，高温条件下涂层中M23（CB）6和SiC相对硬度起到的积极的作用但带来了一定的脆性可能对摩擦性能上带来一些负面的影响。

　　3结论

　　本实验探讨了基板温度对激光熔覆涂层微观组织及力学性能的影响。研究显示，在较低温度条件下，涂层形成了细小且均匀的晶粒结构，这种微观组织有助于提升涂层的硬度和耐磨性。随着温度的增加，涂层的微观组织发生了显著变化，晶粒聚合现象变得明显，导致材料的强度受到影响。在高温条件下，观察到涂层中出现了较大的宏观晶体结构，这种变化在一定程度上降低了涂层的耐磨性能。材料在摩擦过程中表现出的磨损行为也随温度升高而变化。此外，研究还发现高温条件下析出相的增加增强了涂层的硬度，但也导致了脆性提升，从而影响了涂层在实际应用中的可靠性。

　　综合来看，基板温度的选择对激光熔覆涂层的性能具有重要影响。因此，基板预热温度的合理选择不仅决定了相的组成和分布，还对涂层的整体性能产生深远影响。这一研究为优化材料性能和改善激光熔覆工艺提供了重要的数据支持与理论依据，推动了Fe基非晶合金涂层在高端应用领域的进一步发展。

　　［1］张翅，李帅，代佳，等.预热温度对NM450冷裂敏感性影响的研究［J］.煤矿机械，2024，45（9）：60-62.

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　　［3］向南鑫，周后明，王宇豪，等.高速激光熔覆铁基非晶合金涂层的组织及性能研究［J］.激光与光电子学进展，2024，61（17）：282-291.

　　［4］刘涛，田芳，唐秋逸.激光熔覆铁基非晶合金涂层的性能研究［J］.河南科技，2020（2）：128-129.

　　［5］李艳.65Mn钢表面激光熔覆Fe60/WC复合涂层组织结构及耐磨性研究［D］.镇江：江苏大学，2023.