激光熔覆是一种新型材料表面改性处理技术,可提高钢材表面的硬度、耐磨和耐腐蚀等性能,从而提高零部件的服役寿命,因而广泛应用于航空航天、机械、电力、石油、汽车和军事等行业。本文采用粉末预置法,在Q235钢表面激光熔覆Fe-Al复合涂层,利用ANSYS软件对Fe-Al复合涂层的温度场和应力场进行数值模拟,采用XRD、SEM等方法分析了熔覆层的组织及物相结构,并研究了熔覆层的硬度和耐磨性。数值模拟结果表明:温度场呈动态分布,且呈椭圆形;熔覆层中存在较大的温度梯度,达到106K/m数量级。基体与熔覆层的界面处温度和基体熔池深度随激光功率的增大而逐渐增加,随扫描速度的增大而逐渐减小;熔覆层表面和基体与熔覆层的界面处的Von Mises热应力均为压应力,与扫描速度成反比,与激光功率成正比。Z方向的拉应力幅值较大,易在熔覆层与基体的界面处形成裂纹源;X方向的拉应力远大于Y方向的拉应力,使裂纹大多垂直于扫描方向。激光熔覆Fe-Al复合涂层的试验结果表明:Fe-Al复合涂层内部基本无裂纹,气孔、夹杂较少;熔覆层表面附近组织为少量等轴晶,熔覆层中部组织为柱状晶、界面附近组织为平面晶。Fe-Al复合涂层主要由Fe、Al、Al₂O₃以及Fe₃Al等相组成。随着激光功率和扫描速度的增加,熔覆层的硬度和耐磨性先增加后减小;熔覆层的硬度约为298HV,与基体相比,Fe-Al复合涂层的硬度提高了1倍,耐磨性提高了50%。最佳工艺参数为:激光功率为1400W,扫描速度为400mm/min,这与模拟结果一致。Si可作为强化元素加入到Fe-Al复合涂层中,使熔覆层的组织得到显著细化,同时可改善熔覆层的硬度和耐磨等性能。Fe-Al-Si复合涂层表面平整,内部基本无裂纹、气孔,熔覆层质量优异;随着距界面距离的增加,熔覆层组织分别为平面晶、胞状晶和等轴晶,主要由Fe、SiO₂以及Al₂Fe₃Si₄等相组成。Fe-Al-Si复合涂层的硬度约为556HV,与Fe-Al复合涂层相比,硬度提高了1倍,耐磨性提高了1倍;与基体相比,其硬度提高了近3倍,耐磨性提高了2.5倍。通过正交试验优化得到Fe-Al-Si复合涂层的最佳工艺参数为:Fe、Al、Si质量分数为8:1:1,激光功率为1600W,扫描速度为400mm/min。