采用超短脉冲激光制造工艺制备的Fe基非晶涂层的创新制备方法及其耐腐蚀性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Innovative Preparation and Corrosion Resistance of Fe-based Amorphous Coatings Fabricated by Ultra Short Pulse Laser Manufacturing Process

飞秒激光粉末床熔融制备Fe基非晶涂层并研究其性能优化，通过调整激光功率（50W）和扫描速度（500mm/s）实现高致密结构（72.51 vol.%非晶相），显著提升耐腐蚀性。该技术首次成功制备Fe基非晶涂层，为增材制造高性能涂层提供新方法。

　　

双燕|袁家琦|马聪|张志斌|景志远|楚振华|梁秀兵

上海海洋大学工程学院机械工程系，中国上海201306

摘要

基于铁的非晶涂层因其优异的耐腐蚀性和耐磨性等特性，被视为新一代工程设备表面防护涂层材料。然而，热喷涂制备工艺导致的低结合强度以及由于铁基非晶涂层的分层结构而产生的大量孔隙问题；激光熔覆工艺会对铁基非晶涂层造成严重的热效应，导致涂层结晶并出现裂纹和孔隙等缺陷。为了解决这些问题，本研究首次利用超短脉冲激光（即飞秒激光粉末床熔化（Fs-LPBF）工艺的优势进行制备，该工艺具有冷却速度快和与基底紧密结合的优点。系统研究了激光功率和扫描速度对涂层微观结构和耐腐蚀性的影响。研究结果表明，在激光功率为50 W、扫描速度为500 mm/s的条件下，铁基涂层保持了较高的非晶体积分数（72.51 vol.%），并且涂层结构致密，几乎无缺陷，具有最佳的耐腐蚀性能。上述研究成果为制备高性能铁基非晶涂层提供了一种新的工艺方法，也为铁基非晶材料的增材制造提供了新的思路。

引言

非晶材料由于其短程有序、长程无序的原子结构，表现出优异的耐腐蚀性和耐磨性，这几乎消除了传统晶体材料中存在的晶界和位错等缺陷[1]、[2]、[3]。其中，铁基非晶合金因其兼具优异的软磁性能、机械性能、耐磨性和耐腐蚀性而受到了广泛研究。然而，非晶材料固有的脆性以及现有制备技术的限制，使得难以直接将铁基非晶粉末制成复杂部件，从而限制了其在工程领域的广泛应用。铁基非晶合金涂层不仅保持了材料的耐腐蚀性和耐磨性，还克服了批量成形的局限性。在富含Cl^-的海洋环境中，铁基非晶合金涂层能够提供物理屏障并快速钝化，有效阻挡腐蚀介质的侵蚀，从而延长海洋设备的使用寿命[4]、[5]。

目前，热喷涂[6]和激光熔覆[7]是制备铁基非晶涂层的主要方法。热喷涂过程中熔融滴液沉积不均匀，不可避免地会在涂层中产生孔隙和裂纹等缺陷，并且与基底的结合强度较低[8]。而激光熔覆利用高能光束促进粉末完全熔化，减少气体夹杂，降低涂层孔隙率，并实现与基底的优异冶金结合，从而显著提高结合强度。然而，连续波或长脉冲激光熔覆产生的高热量输入往往会导致非晶结构结晶并在涂层中形成裂纹。多项研究表明，传统激光熔覆制备的铁基非晶涂层中非晶体积分数通常低于60 vol.%，同时存在大量裂纹和较大的热影响区（HAZ）[9]、[10]、[11]。

Fs-LPBF技术在金属部件制造中具有独特优势，其超短脉冲和极高的峰值功率使得熔化和固化过程在非热平衡条件下进行，显著提高了冷却速率并抑制了热扩散。因此，在加工铁、钨和不锈钢等材料时，该方法能有效减少热影响区，细化晶粒尺寸并提高显微硬度[12]、[13]。此外，高冷却速率理论上有利于增加涂层中的非晶含量，从而提高耐腐蚀性[14]。尽管在金属增材制造方面显示出优势，但关于飞秒激光用于非晶涂层制备的研究仍不充分，工艺参数与涂层性能之间的关系仍需进一步探索。

本研究成功使用自主研发的飞秒激光粉末床熔化系统制备了铁基非晶涂层。系统研究了激光功率和扫描速度对涂层微观结构、非晶含量、机械性能和耐腐蚀性的影响，建立了工艺参数与性能之间的映射关系，为制备高非晶含量和优异耐腐蚀性的铁基非晶涂层提供了新的见解和理论基础。

部分内容摘录

涂层制备

作为涂层制备的原料，使用了商业化的Fe_49.7Cr₁₈Mn_1.9Mo_7.4W_1.6B_15.2C_3.8Si_2.4（原子百分比）非晶合金粉末，该粉末通过真空气体雾化法制备。扫描电子显微镜（SEM）分析（图1(a1)）显示，粉末由光滑的球形或近球形颗粒组成，有利于粉末施加过程中的良好流动性。粉末的X射线衍射（XRD）图谱（图1(a)）表明...

结构与非晶含量

图2(a)展示了在不同激光工艺参数下铁基非晶涂层的XRD衍射图谱。所有样品均显示出晶相布拉格衍射峰以及大约38° - 45°范围内的漫射峰，表明涂层由非晶相和晶相组成。所有涂层中的晶相主要是α-Fe、Fe₂B和Fe-Cr相。

非晶结构主要源于...

结论

本研究首次利用Fs-LPBF技术制备了铁基非晶涂层，系统研究了激光功率和扫描速度对涂层微观结构和耐腐蚀性的影响，为该技术在高性能涂层中的应用提供了新的加工途径。

研究表明，较低的激光能量输入可以有效增加涂层的非晶含量。在激光功率为50 W、扫描速度为...

伦理批准

所有作者声明本手稿不涉及人类受试者、人类数据或组织以及动物实验。

利益声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献声明

袁家琦：验证、软件支持。 马聪：实验研究。 张志斌：资源准备、方法论设计、资金申请。 景志远：撰写、审稿与编辑、监督。 双燕：初稿撰写、实验研究、数据整理。 楚振华：撰写、审稿与编辑、监督。 梁秀兵：数据可视化处理。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52275225）的支持。

数据获取

支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求后获取。