中文摘要：

采用高功率(3.5 KW)半导体激光熔覆技术，利用其能量均匀的宽带光束和快速凝固的优点，研究大面积制备铁基非晶涂层，提高材料耐磨耐腐综合性能。针对激光熔覆快速凝固行为与组织形成机制，研究高功率半导体激光熔覆过程熔池温度场和熔体行为，特别是激光辐照中的合金元素蒸发和迁移，并结合热力学和动力学计算，理解高功率激光熔覆铁基非晶涂层的形成机制，从而进行铁基非晶涂层合金体系的创新。研究高功率半导体激光均匀加热对控制熔池熔体的局部过热度、减少合金成分之间的化学冶金反应的作用，研究半导体激光熔覆时降低界面形核并快速向熔池生成柱状晶的机制，保持熔池熔体的玻璃形成能力。优化工艺参数和合金体系，大面积制备高致密、高结合强度、耐磨耐腐综合性能优异的铁基非晶涂层。通过本课题的工作，能够有助于认识激光熔覆铁基非晶涂层的机制和工艺控制规律，对于大面积制备耐磨耐腐综合性能优异的铁基非晶涂层具有重要的理论指导意义。

结论摘要：

本课题首先计算了Ni-Fe-B-Si-Nb合金体系中三元子合金的混合焓和归一化错配熵，结合共晶点准则，确定了熔覆材料的化学成分的范围；在系统研究各元素含量对熔覆层中非晶含量的影响的基础上，优化出在激光熔覆条件下具有较强非晶形成能力的(Ni0.6Fe0.4)68B18Si10Nb4（at.%）合金体系。研究发现，由于晶体外延生长、熔体内异质形核以及基板对熔覆层的稀释率作用，激光熔覆时获得非晶涂层的临界冷却速度极大地大于铜模吸铸制备大块非晶时的临界冷却速率。高速激光重熔有利于熔覆层中形成非晶组织。接着，以具有较强的非晶形成能力的[(Fe0.5Co0.5)0.75B0.2Si0.05]95.7Nb4.3 (at%)合金体系为熔覆材料，探讨了激光熔覆单步法制备铁基非晶涂层的工艺控制因素。研究发现，激光熔覆单步法非晶涂层的两大控制因素为低稀释率和高扫描速度。低稀释率有利于非晶形成的机理包括（1）激光熔覆层的化学成分保留了较强的非晶形成能力；（2）激光功率低，减少熔池搅拌，降低先凝固的树枝晶被打断进入熔体成为形核中心的几率。高扫描速度提高了熔体的冷却速度。激光熔覆制备的非晶层从界面开始，依次形成平面晶薄层、柱状树枝晶层、细小等轴树枝晶层和非晶层。柱状树枝晶层的高度为15 μm，等轴树枝晶层的高度为28μm。非晶层在离界面约45 μm处开始出现。能谱分析表明，在树枝晶层中Fe元素的含量高于熔覆粉末中Fe元素的含量，揭示出该45 μm高度区域内，由于基板材料Fe元素的扩散，使得其化学成分偏离了设计的名义成分，降低了非晶形成能力；外延生长成晶体。熔池的搅动会使枝晶的尖端部分发生断裂，做为等轴晶的形核质点，形成细小等轴树枝晶层。随着凝固的进行，离开界面45 μm后，熔体的成分接近非晶的名义成分，在比较大的冷却速度下，形成了非晶态组织。因此，熔体具有很强的非晶形成能力和较快的冷却速度是激光熔覆制备铁基非晶层的关键。最后，对激光熔覆制备铁基非晶层的硬度和摩檫学测试表明，熔覆层的显微硬度和非晶含量有密切关系，非晶层的硬度值达到了1200 Hv；非晶层具有较高的耐磨损能力，随H3/E*2比值的增加，耐磨性提高。本课题完成过程中，共发表期刊论文11篇，国际会议论文3篇，被SCI收录的论文5篇，被EI收录的论文7篇；授权发明专利2项；并举办了“中德半导体激光表面技术研讨会”。