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非晶合金具有高的强度、硬度、良好的耐磨性和耐蚀性等,但非晶态的获取通常需要严格的控制合金成分区间以及达到极高的冷却速率(105 K/s)。通常情况下,大部分的二元或三元体系的非晶合金往往只能形成厚度以微米计量的薄带状成品,其三维尺寸远达不到块体材料的标准,因而制约了非晶合金在结构材料中的应用。激光熔覆是表面快速加工的重要技术手段之一,其本质是远离平衡态的快速加热以及快速冷却的综合物理冶金过程。以往大量使用硬质材料作为熔覆母材,其成分和组织的不均匀性是激光熔覆需要克服的主要缺点。而利用非晶合金作为熔覆材料母材至少带来两方面优势:首先,非晶合金可以提供成分和组织均匀的熔覆材料,无论是粉末还是条带状态均有利于后续熔覆工艺的控制,具有优良的熔覆性能;其次,采用价格低廉的(Fe,Co,Ni)-B基非晶合金可以在绝大部分金属基体表面大面积制备出合金涂层,特别是含有非晶和晶化相的复相涂层具有很好的减磨性和耐磨性能,因此非晶态熔覆合金的研发和制备得到表面工程技术领域的广泛重视。本文试图研究3d过渡族金属TM(Fe,Co,Ni)加类金属M(B,Si)体系的非晶合金及其熔覆行为。采用团簇加连接原子模型对(Fe,Co,Ni)-B二元合金体系进行成分解析,给出具有最优非晶形成能力的理想团簇成分式,并利用C02激光光源在45钢基体上对已给出的合金体系的成分进行了熔覆实验。在Fe-B-Si体系中选用不同成分的非晶合金进行了熔覆实验,同时还对比了熔覆材料在晶态和非晶态两种情况下的熔覆效果,验证了非晶粉末具有更加优异的熔覆性能。选取高非晶形成能力的多元Co基非晶合金成分在45钢表面进行激光熔覆,在不同的工艺下获得了不同非晶含量的涂层。用Ni元素替换Co基非晶合金中部分Co元素,同样可以获得高非晶形成能力的合金成分,进行激光熔覆后,熔覆层内没有非晶相生成,且硬度和耐磨性均下降。具体研究成果如下:(1)以团簇加连接原子模型理论为基础,对Fe-B、Co-B和Ni-B二元合金体系中与非晶形成相关相结构进行解析。根据密堆团簇的筛选判据可得出Fe-B二元合金体系密堆团簇为:[Fe-Fe12]、[B-Fe9]和[B-B2Fe8];Co-B二元合金体系密堆团簇为:[Co-Co12]、[B-Co9]和[B-B2Co8];Ni-B二元合金体系密堆团簇为:[Ni-Ni12]、[B-Ni9]和[B-B2Ni8]。结合理想非晶合金24电子理论,构建了Fe-B、Co-B和Ni-B二元合金体系理想非晶团簇式,分别为:[B-B2Fe8]Fe、[B-Co9]B和[B-Ni9]B。在Fe-B二元合金基础上,保持最稳定的[B-B2Fe8]Fe团簇式结构不变,将第三组元Si原子分批次替代壳层B原子的位置,形成了两种新的团簇式[B-BSiFe8]Fe和[B-Si2Fe8]Fe,这两种团簇式在非晶最佳形成能力成分点 Fe75B15Si10的理想比例为 4:1,采用 Fe75B115Si10=4[B-BSiFe8]Fe+1[B-Si2Fe8]Fe 的中程序模型解析Fe-B-Si三元非晶最佳成分。(2)选取不同成分的Fe-B-Si三元非晶合金在45钢表面上进行了激光熔覆试验。将成分为Fe79.73B8.86Si11.41母合金分别采用球磨破碎和甩带研磨两种方式制备成晶态和非晶态复合粉末。Fe79.73B8.86Si11.41非晶粉末具有较高的热稳定性,其Tm和T1的值分别为1417 K和 1448 K,Tg、Trg(Trg=Tg/T1)值分别约在729.43 K和0.503 附近。Fe75B15Si10对应的Tx、Tm和T1的值分别为838 K,1402 K和1474 K。对比晶态和非晶态两种粉末的物相结构以及对应的熔覆层宏观质量、结构、组织及性能分析可知:在相同的熔覆能量条件下,非晶复合粉末的熔覆性能优于晶态粉末。采用非晶复合粉末所获得的熔覆层表面及内部没有气孔和裂纹,与基体形成了良好的冶金结合,其组织为细小均匀的树枝晶,各元素在熔覆层内分布较为均匀,受固溶强化、位错强化和细晶强化的影响,其硬度及耐磨性与基体相比都有较为明显的提高。对比Fe79.73B8.86Si11.41与Fe75B15Si10两种非晶合金粉末的熔覆效果可知,Fe79.73B8.86Si11.41具有更加接近共晶点的成分,因此具有更窄的熔化区间,其形成的熔覆层宏观质量较好。通过对熔覆层的硬度以及耐磨性的对比可知,Fe75B15Si10涂层中B含量较高,硬度和耐磨性好于Fe79.73B8.86Si11.41涂层。(3)采用激光熔覆技术在45钢表面制备了 Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8高非晶含量的复合涂层。该合金成分为前期实验发现的具有最佳形成能力的非晶合金,可以形成直径4mm的块体金属玻璃。所获得的熔覆层具有明显的分层结构,可划分为三个不同的区域:表面区域为非晶基体上弥散分布的Co2B等轴树枝晶结构;过渡区由树枝状晶或柱状晶的Co2B相叠加晶间析出的Co3B相构成;界面结合区则是由αα-(Co,Fe)基体上析出的α’-(Co,Fe)相所组成。随着激光功率的增加,合金涂层表面区非晶的体积分数明显增加,平均硬度值降低,耐磨性和减磨性逐渐提升,当激光功率达到4.0 kW时,熔覆层非晶含量最高,磨损体积最小。与三元Fe基非晶合金形成的熔覆涂层相比,Co基熔覆层的硬度和耐磨性均有较大提升。(4)在Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8合金成分基础上,用Ni元素替代部分Co元素后,均获得了同样具有高非晶形成能力的合金成分:Co55.1Ni6.1B26.2Si7.8Ta4.8,Co49.0Ni12.2B26.2Si7.8Ta4.8,Co42.8Ni18.4B26.2Si7.8Ta4.8和Co36.8Ni24.4B26.2Si7.8Ta4.8。对以上四种成分的非晶合金粉末在45钢基体上进行激光熔覆试验,没有得到含有非晶的熔覆层,而是形成了中间区是由α-(Co,Fe,Ni)固溶体上分布着CoB,Co3B和Co3Ta金属间相的复合涂层。随着Ni含量的增加,熔覆层的平均硬度降低,在6.1 at.%Ni样品中显微硬度最高约为17 Gpa,在硬度较低的12.2 at.%Ni样品中,达到最小摩擦系数(～0.38)和磨损体积(～6×10-4mm3)。与没有添加Ni的Co基非晶复合涂层相比,硬度及耐磨性均下降。