CN111693563A - 铁基重熔层的组织和性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁基重熔层的组织和性能分析方法，包括：步骤1，将铁基试件放在盛有去离子水的容器中，调整冷却水液面到被处理面的距离，用Nd：YAG激光以设定的工艺参量进行试件表面重熔，得到激光重熔层；步骤2，分析不同深度冷却水层试样的性能及重熔层摩擦磨损性能，得到分析结果；步骤3，采用理论计算的方法求解合金层表面熔化和凝固过程，估算合金凝固过程中的平均冷速，得到激光能量对合金结晶过程中生长形貌的影响规律。本发明能够揭示水介质环境冷却对铁基重熔层组织和性能的影响规律，为提高铁基合金水环境冷却改性层的使用性能提供理论和实验依据。

Description

铁基重熔层的组织和性能分析方法

技术领域

本发明涉及激光重熔表面处理技术领域，尤其涉及一种铁基重熔层的组织和性能分析方法。

背景技术

钢材应用广泛应用于电子、机械、通信、航空、航天和能源等领域。现今较为成熟的钢的表面改性方法有渗氮、渗碳、激光改性等。激光表面改性技术是通过高能密度激光束作用在金属材料表面，使其发生物理化学变化，从而改变其耐磨、耐蚀、抗热疲劳和抗氧化等性能。

激光重熔是用激光束将表面熔化而不加任何金属元素，已达到表面组织改善的目的。有些铸件的粗大树枝状结晶中常有氧化物和硫化物夹杂，以及金属化合物及气孔等缺陷，如果这些缺陷处于表面部位就会影响到疲劳强度、耐腐蚀性和耐磨性，用激光做表面重熔就可以把杂志、气孔、化合物释放出来，同时由于迅速冷却而使晶粒得到细化。

根据相关研究成果表明在空气中直接进行表面重熔没有得到纳米晶粒，而在水中进行重熔的，得到了纳米晶粒，同时随着水面与被处理表面距离的增加，重熔再结晶后晶粒趋于更加细化。

为了进一步提高铁基合金水环境冷却改性层的使用性能提供理论和实验依据，需要研究水介质环境冷却对铁基重熔层组织和性能的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁基重熔层的组织和性能分析方法，揭示水介质环境冷却对铁基重熔层组织和性能的影响规律，以提高铁基合金水环境冷却改性层的使用性能提供理论和实验依据。

本发明提供了一种铁基重熔层的组织和性能分析方法，包括如下步骤：

步骤1，将铁基试件放在盛有去离子水的容器中，调整冷却水液面到被处理面的距离，用Nd：YAG激光以设定的工艺参量进行试件表面重熔，得到激光重熔层；

步骤2，分析不同深度冷却水层试样的性能及重熔层摩擦磨损性能，得到分析结果；

步骤3，采用理论计算的方法求解合金层表面熔化和凝固过程，估算合金凝固过程中的平均冷速，得到激光能量对合金结晶过程中生长形貌的影响规律。

进一步地，步骤2中所述不同深度冷却水层试样的性能分析结果包括：

在三种不同的冷却水深中，使用激光器对铁基表面进行激光重熔，经测定得到，在水深为1mm、2mm、3mm的情况下，表面硬度分别为434HV、452HV和470HV，从而得到重熔层的表面硬度随着水深的逐渐提高而增大，在有效激光功率范围内，水深较大时，所得到的水冷重熔层的硬度比空气重熔层有所提高；不同冷却水深下完全重熔区和未重熔区之间的硬度梯度的下降陡度有所不同，经较低激光功率重熔处理的焊层截面硬度的下降幅度快于高功率的。

进一步地，所述步骤2中所述重熔层摩擦磨损性能分析结果包括：

激光重熔功率影响重熔层耐磨性的因素包括：激光重熔功率越大，使得合金元素的固溶量越增多，固溶强化作用越明显；当激光功率增加到一定范围时，重熔层之间避免了未搭接现象出现，使得其整体硬度趋于均匀和稳定，从而使得重熔层的耐磨性的提高幅度随着激光功率的提高而加大；在硬度区域均匀稳定的范围内，水环境的影响是，随着冷却水深的增加，耐磨性有所提高。

进一步地，步骤3中得到的激光能量对合金结晶过程中生长形貌的影响规律包括：

随激光能量的增加，凝固平均冷速反而下降；

合金经激光辐照后，表面发生快速熔凝，快速凝固过程中合金处于非平衡态，凝固后生长形貌为枝晶态，随冷速增加，组织变得细化，枝晶长度和二次臂间距均变小，最终生成十字状细小的颗粒晶；

在冷却水中，由于水体的保护，激光的能量密度下降，使得凝固平均冷速提高，同时在水中冷却，冷却效果进一步提高，冷却速率大幅加快。

借由上述方案，通过铁基重熔层的组织和性能分析方法，能够揭示水介质环境冷却对铁基重熔层组织和性能的影响规律，为提高铁基合金水环境冷却改性层的使用性能提供理论和实验依据。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明铁基重熔层的组织和性能分析方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参图1所示，本实施例提供了一种铁基重熔层的组织和性能分析方法，包括如下步骤：

步骤S1，将铁基试件放在盛有去离子水的容器中，调整冷却水液面到被处理面的距离，用Nd：YAG激光以设定的工艺参量进行试件表面重熔，得到激光重熔层；

步骤S2，分析不同深度冷却水层试样的性能及重熔层摩擦磨损性能，得到分析结果；

步骤S3，采用理论计算的方法求解合金层表面熔化和凝固过程，估算合金凝固过程中的平均冷速，得到激光能量对合金结晶过程中生长形貌的影响规律。

通过该铁基重熔层的组织和性能分析方法，能够揭示水介质环境冷却对铁基重熔层组织和性能的影响规律，为提高铁基合金水环境冷却改性层的使用性能提供理论和实验依据。

下面对本发明作进一步详细说明。

一、实验设计

1、实验材料

本实验采用45钢作为基体材料。45钢是中碳钢的一种一般含碳量在0.42％到0.5％之间。45钢是一种普遍使用的优质结构钢。

各组实验试样用于观察和研究之前，使用砂纸磨平，之后进行抛光和腐蚀。这一过程使用的抛光剂为2.5μm颗粒金刚石抛光剂，之后使用的腐蚀剂溶液为5％的盐酸酒精。

2、实验试样的制备

本实验使用激光器搭配行程支架控制实验样品的移动，加之激光器发射脉冲光束实现表面的重熔处理。

首先用线切割方法将45钢板裁剪成40mm×100mm×20mm尺寸规格的试板，然后用砂纸将试板的待焊面进行打磨，彻底去除表面氧化层和油污，接着用酒精清洗干净。采用最大功率为500W的Nd:YAG固体脉冲激光器，分别对铁基合金水环境冷却改性层和热喷涂层的表面进行激光重熔处理。

重熔前首先将铁基合金水环境冷却改性层表面在磨床上打磨平，然后在水环境冷却改性层表面涂上墨汁进行黑化处理，提高激光重熔时水环境冷却改性层表面对激光束的吸收效率；接着采用设定好的激光重熔工艺参数对铁基合金水环境冷却改性层进行重熔处理，重熔处理过程中，激光束的位置保持固定不变，通过工作台的横向移动实现对喷焊层的搭接重熔处理，并且在整个激光重熔扫描过程中，采用空气进行保护，设计的实验组为使用去离子水进行保护；另外，为了防止铁基合金喷焊层试板产生微裂纹，在进行激光重熔之前，先进行预热处理。

在水槽中进行同样的实验，实验时控制冷却水介质表面到铁基体材料表面的距离。改变水深变量，进行多组实验，在水深设计为1mm、2mm、3mm、5mm、10mm的情况下重复试验。在45钢基体钢板上控制行程制备45mm×10mm的脉冲激光重熔层。最后，使用线切割方法将重熔水环境冷却改性层试板切割成规格为：15mm×15mm×20mm试样供金相显微组织观察和耐磨性试验备用。

保持激光功率不变，控制水槽中的水量。通过水深控制水量，通过控制水量，来改变基体材料在激光重溶过程中的熔化和凝固过程。

3、钢重熔层显微组织分析

(1)宏观形貌观察

采用VHX-900型超景深数码显微镜，对铁基合金重熔层截面熔池的宏观形貌进行观察拍照，并用其附带的测量系统对截面熔池的最大熔深、熔宽(L)和搭接区宽度(D)等进行准确测量。再按照公式D/L×100％计算不同激光重熔参数下重熔水环境冷却改性层的搭接率。

(2)金相显微组织分析

首先采用线切割的方法，分别将铁基合金热喷涂层、水环境冷却改性层、激光重熔水环境冷却改性层、脉冲激光重熔热喷涂层以及时效态重熔水环境冷却改性层，切成尺寸大约为15mm×15mm×8mm的试样，然后进行打磨抛光之后使用盐酸酒精(盐酸：无水乙醇＝1:20)进行适当腐蚀，制成金相试样。利用金相显微镜进行观察分析并拍照。

(3)扫描电镜组织分析

利用扫描电子显微镜(SEM)对不同处理态热喷涂(焊)层的组织进行观察分析，同时，对于铁基合金重熔水环境冷却改性层以及其经进一步时效处理后的精细组织形貌，采用场发射扫描电镜进行高倍观察并拍照。

4、45钢重熔层性能分析

(1)显微硬度试验

根据《GB/T4340.1-1999金属维氏硬度试验第一部分：试验方法》维氏硬度试验标准，利用维氏显微硬度计，测量激光重熔水环境冷却改性层及脉冲激光重熔水环境冷却改性层的截面和表面显微硬度。其中，测量激光重熔水环境冷却改性层的显微硬度时选用4.9N载荷的力，载荷持续加载时间为20s，截面显微硬度测量时，沿重熔水环境冷却改性层截面从顶部至母材依次每隔0.1mm测定一个硬度点，测量到母材为止；而测定激光重熔热喷涂层时选用的载荷力为1.96N，两硬度点之间的间隔为50μm。为了减小误差，截面硬度沿重熔层熔池的中心分别测定两排硬度点，取其平均值作为截面的硬度。对于不同处理态的焊层的表面硬度，随机测定五个硬度点，取其平均值。

对不同水深的多组试样进行硬度测试，比较各组实验的硬度，分析水环境激光重熔对基体材料表面性能的影响。说明通过引入冷却水，改善重熔过程，对材料表面改性效果的影响。得出通过控制使用冷却水环境的工艺参数，达到控制试样改性效果的目的。

(2)耐磨性试验

根据《GB12444.1-90金属磨损试验方法MM型磨损试验》试验标准进行耐磨性试验。将制备好的不同处理态的标准试样在摩擦磨损试验机上进行滑动磨损试验。对磨辊环尺寸为外径40mm、内径16mm、厚度10mm材料为9SiCr钢，硬度为58～60HRC。磨损试验机对磨环转速为200r/min，加载载荷为98N。采用感量0.1mg的电子天平进行磨损失重检测。每个试样先预磨5min，然后用丙酮溶液清洗除油，酒精清洗吹干，用电子天平称重，接着再进行正式试验，在磨损过程中每隔5s滴一滴乳化液进行冷却，每隔20min进行清洗称重，并做好每次磨损数据的记录，如此反复三次，共计磨损1h，计算磨损率，并在带有测微目镜的OlympusPME3型金相显微镜下测定磨损后表面的磨痕宽度，另外，在景深数码显微镜下进行观察和分析后，拍摄磨痕照片。

分析摩擦磨损的结果，分析试验各组，激光器作用于材料表面的改性效果，和重熔层深度。并通过重熔层的摩擦系数等数据分析并结合显微观察的结果，综合分析重熔区的晶体组织结构。

二、水介质环境冷却对铁基重熔层组织和性能的影响

1、在不同水深时试样的显微组织

试验将试件放在盛有去离子水的容器中，调整水量可调整液面到被处理面的距离，然后用Nd：YAG激光以一定的工艺参量进行试件表面重熔。试验表明，在空气中直接进行表面重熔没有得到纳米晶粒，而在水中进行重熔的，可以得到纳米晶粒，同时随着水面与被处理表面距离的增加，重熔再结晶后晶粒趋于更加细化。其原因主要是在水中激光重熔部分冷却速度快，奥氏体来不及转化成马氏体，并且晶粒也没有时间长大。在空气中进行激光重熔只要能采取有效措施提高冷却速度，也可在在材料表层形成纳米晶粒结构。另外在的试验中，可能还有一部分类似于激光冲击的作用效果和快速冷却作用共同促使纳米晶粒的生成。

当冷却水槽中水量加大，虽然冷却效果提升，但是由于水层太厚，使得脉冲激光器发出光束的能量大量被水体吸收。激光的能量损耗过大，传达到基体材料45钢表面的能量不足，加之水体本身的优良导热能力，使得在叫厚的水层中，激光不足以使金属基体表面发生局部迅速融化，不能给表层组织重结晶创造有利的条件。试验中，在水体表面距离基体材料表面15mm时，激光并不能使材料表面发生局部融化。冷却水对激光的削弱作用直到减少水深到5mm，激光才能使基体发生有效的局部重熔。

分析水中重熔层晶粒细化原因

考虑到激光器对材料表面重熔的原理分析微观组织观察结果。激光与物质的相互作用是材料激光加工的物理基础,激光首先必须被加工材料吸收并转化为热能,才能进行不同的激光加工。从原子结构理论分析，激光对金属材料的作用是高频电磁场对物质中自由电子的作用,自由电子在激光诱导作用下发生高频振动产生动能,再通过电子与晶格之间的驰豫过程转变为热能。根据和菲涅耳公式，吸收率主要取决于激光波长和材料的导电率,激光波长越短、材料导电率越小,则材料对激光的吸收率越高。

本试验中，水作为冷却介质，由于本身的导电率和导热能力，一方面极大的削弱了激光功率；另一方面一定程度上影响了表面重熔的局部融化效率。

2、不同深度冷却水层试样的性能

1)不同深度冷却水层实验的硬度

试验中，其他工艺参数相同的基础上，在三种不同的冷却水深中，使用激光器对45钢表面进行激光重熔。经测定，在水深为1mm、2mm、3mm的情况下，表面硬度分别为434HV、452HV和470HV，较空气中焊层的硬度370HV都有很大的提高，并且重熔层的表面硬度随着水深的逐渐提高而增大，在有效激光功率范围内，水深较大时，所得到的水冷重熔层的硬度比空气重熔层约提高100HV。

分析认为，激光功率越大，高能量密度的激光对热喷焊层表面熔化的金属就越多，加上相互作用时间增长，C、Cr等合金元素固溶的也就会越充分，使得重熔焊层的固溶强化效果增强，但同时由于激光功率的提高，使得重熔焊层的晶粒组织有所粗化，导致其细晶强化作用会有所减弱。相应的在冷却水环境的保护作用下，激光穿过冷却水，照射到基体材料表面虽然削弱了激光功率，但是提供了一个快速冷却的水环境，提高了固溶强化。

2)固溶强化的影响

固溶强化是激光材料表面改性中提高强度硬度的主导强化机制。

固溶强化融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。

激光重熔层截面包括完全重熔区、未重熔区、和基体母材，其中重熔热喷焊层的完全重熔区硬度最高，未重熔区、熔合区和母材基体的硬度依次降低。进一步仔细观察又可发现，不同冷却水深下完全重熔区和未重熔区之间的硬度梯度的下降陡度有所不同，经较低激光功率重熔处理的焊层截面硬度的下降幅度快于高功率的，分析认为这主要是与热喷焊层在不同激光功率下的重熔热影响区域的范围大小有关。

3、重熔层摩擦磨损性能

经试验可看出，空气冷却重熔层的磨损失重量最大，同时磨痕宽度也最大，而经过不同激光逐渐重熔工艺处理后其磨损失重量逐渐减少，磨痕宽度也相应变窄，呈现出水冷重熔层的磨损失重量和磨痕宽度，在有效激光功率允许水深范围内，均随着冷却水深增加呈逐渐降低的趋势，这进一步说明，随着冷却水深的提高，重熔焊层的耐磨性逐渐提高，相对于原始热喷焊层，不同冷却水深的重熔层的耐磨性均有较大幅度的提高。

水冷却重熔层的耐磨性较空气中重熔分别提高了高达15％、29％和49％，并且在有效激光强度的范围内，其中提高幅度随着冷却水深的增加而加大。析认为，激光重熔功率影响重熔层耐磨性的因素主要有两个方面，一方面激光重熔功率越大，使得合金元素的固溶量越增多，固溶强化作用越明显；另一方面当激光功率增加到一定范围时，重熔层之间避免了未搭接现象出现，使得其整体硬度趋于均匀和稳定，从而使得重熔层的耐磨性的提高幅度随着激光功率的提高而加大。然而在硬度区域均匀稳定的范围内，水环境的影响则是，随着冷却水深的增加，耐磨性有一定程度的提高。

4、冷却水环境的影响

传统的激光表面改性技术是在保护气体中进行的，而且要求基体表面干燥。尤其是在激光熔覆中，由于需要添加熔覆层材料，需要避免在有水的环境中。而本次试验，完全将基体重熔和凝固的过程在水中进行。需要分析水环境对材料组织性能的影响因素。

1)冷却水环境的熔化过程

(1)激光质量评定

要分析水环境中激光作用于基体材料45钢表面的熔化过程，需要分析激光投射过水面给45钢基体材料表面带来的热输入。试验控制了其他工艺参数，仅仅选用不同冷却水深。由于激光功率一定，则需要探讨水层对激光质量的影响。

试验所选用的激光器参数一定，在不同冷却水深的环境里，保持激光功率和电流等参数的一致性，得出水环境对激光质量的影响。

采用光束聚焦特征参数值K_f价来评价激光光束质量,其定义为：

K_f＝ω₀·θ₀

式中，ω₀为聚焦光束腰半径θ₀，为聚焦后光束的远场发散半角。

根据衍射理论，聚焦光斑直径为激光功率强度下降时的光斑直径，可由下式计算：

D＝2.4f·λ

式中，f为光学系统参数，λ为激光波长。该激光器波长为1.06微米。光学系统参数为焦长和入射光束直径之比。

本次试验，保持基体材料45钢表面水平，激光器入射光束在垂直方向。激光光束接触水体表面，光束与水平面垂直，不存在入射角，故不考虑折射的影响。

但是，光在水中的传播与空气中同，水中的光速只有空气中光束的四分之三，于是激光从空气介质进入水介质，波长发生了缩短。光斑直径缩小了约25％。聚焦光束腰半径和远场聚焦发散角都一定程度的减小，激光质量相比空气中损失在25％到30％之间。

(2)激光质量对重熔效果的影响

冷却水环境中，激光质量降低，由于水的热传导率较高，加热熔化效率相对于空气中施焊，其加热效果也要打折扣，因此试验中，在水量较大，水面较深的时候，激光质量不足，出现激光失效的情况。综上所述，在冷却水中实行激光表面改性，其加热熔化过程存在能量损失，去离子水介质在保护材料表面不与空气发生氧化的同时，降低了激光的能量密度。此时固—液界面的温度虽然在熔点温度以下，但是远离界面的液相内部，其温度更低，此时，如果界面产生突出部分，可以伸入到过冷的液面中而继续长大。因而结晶前沿将不是平面，而是具有很多突出部分的晶柱。

远离界面的液相内部，其温度更低，此时，如果界面产生突出部分，可以伸入到过冷的液面中而继续长大。因而结晶前沿将不是平面，而是具有很多突出部分的晶柱。它们在生长过程，如果放出的潜热和散热相当时，将以稳定的速度向前推进，在这些晶柱的侧面，同样可以产生新的晶柱，这样就形成了树枝晶。由于快速结晶，使树枝状的主干组织优先增长，柱状晶体组织是树枝状结晶组织，这时由于快速结晶的缘故，极微细偏析获得很大的发展。在横截面中柱状晶体呈现出一些等轴晶粒状的外貌，同时在作用区域也发生物质迁移的过程。在有效的激光功率影响范围内，激光质量的削弱对有利于晶粒细化。因此在水中进行激光加工，削弱了激光能量的同时，大幅提高了平均冷速。

2)冷却水环境中的凝固过程

凝固是金属或合金从液态向固态转变的过程。实际上，质量、热量和动量三种传输之间有基本相似的过程。

第一，传质过程的时间很短。在激光作用过程中，激光作用时间在0.1ms整个传质包含激光直接作用下的传质和激光作用结束后热滞期的传质这两个阶段。显然，在极短时间内进行的传质是远远地偏离了平衡条件。

第二，传质过程是在很大的温度梯度下进行的，在很大的温度梯度下，不但溶质原子的化学位会出现差值，而且在液体表面的溶质原子将出现选择性蒸发，从而使液体表面和内部之间形成浓度差，化学位差值和浓度差值都是液体内扩散传质的驱动力。由能谱分析结果，合金层表面磷的含量由激光辐照后由5％(质量)降低为2.8％，说明磷元素在激光作用过程中发生烧蚀损耗。

第三，传质过程中有表面张力梯度的作用。当激光使材料处于熔体状态时，必然有激光作用下液相的传质过程。由于温度梯度和浓度梯度共存，在熔体出现表面张力梯度，它将促进熔体中的对流传质。当激光快速加热使材料局部熔化后，一旦激光停止作用，冷的基体传热将使熔体以106K/s～107K/s的速度快速凝固。激光快速熔凝与常规熔凝的不同之处最根本的是激光快速熔凝是在非平衡条件下进行的，这也是枝晶组织形成的原因。

金属和合金的实际凝固过程总是以过热熔体温度的降低和熔化潜热的释放为前提的，而这一过程又和已经凝固的固体与尚未凝固的熔体之间、整个固体、熔体系统与外部环境之间的热传输密切相关，所以热传输研究或传热研究是一般凝固理论中的基本问题。在激光快速凝固过程中，正是由于固体、或系统与环境之间的热传输具有与一般铸态凝固过程不同的特点，所以熔体才能以极高的速度凝固，因此热传输研究更是快速凝固理论中的核心问题。由于脉冲激光作用后发生的快速凝固在瞬间完成，现有实验条件无法定量测量凝固过程中的过冷度，但可以估算激光作用的瞬时温度场来表征激光对材料的热作用，本文即通过数值模拟合金层表面温度场，来研究脉冲激光作用过程中的热传输，用不同激光能量作用后合金表面的升温降温曲线估算平均冷速，因为平均冷速是研究凝固问题的重要参数，所以激光能量对生长形貌的影响可以转化为平均冷速对合金凝固生长形貌的影响。

3)快速冷却对合金生长的影响

根据分析可知，在水中由于水的良好导热率，极大地缩短了冷却时间，使得晶粒在生长出大量晶枝树状晶之前就出了颗粒装的纳米颗粒。

本实施例采用理论计算的方法求解了合金层表面熔化和凝固过程，估算了合金凝固过程中的平均冷速，研究了激光能量对合金结晶过程中生长形貌的影响。通过实验研究和理论分析，得到了如下结论：

(1)估算了脉冲激光停止作用后合金层表面发生快速凝固的平均冷速，发现随激光能量的增加，凝固平均冷速反而下降。

(2)合金经激光辐照后，表面发生快速熔凝，快速凝固过程中合金处于非平衡态，凝固后生长形貌为枝晶态。随冷速增加，组织变得细化，枝晶长度和二次臂间距均变小，最终生成十字状细小的颗粒晶。

(3)在冷却水中，由于水体的保护，激光的能量密度下降，使得凝固平均冷速提高。同时在水中冷却，冷却效果进一步提高，冷却速率大幅加快。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种铁基重熔层的组织和性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将铁基试件放在盛有去离子水的容器中，调整冷却水液面到被处理面的距离，用Nd：YAG激光以设定的工艺参量进行试件表面重熔，得到激光重熔层；

步骤2，分析不同深度冷却水层试样的性能及重熔层摩擦磨损性能，得到分析结果；

步骤3，采用理论计算的方法求解合金层表面熔化和凝固过程，估算合金凝固过程中的平均冷速，得到激光能量对合金结晶过程中生长形貌的影响规律。

2.根据权利要求1所述的铁基重熔层的组织和性能分析方法，其特征在于，步骤2中所述不同深度冷却水层试样的性能分析结果包括：

在三种不同的冷却水深中，使用激光器对铁基表面进行激光重熔，经测定得到，在水深为1mm、2mm、3mm的情况下，表面硬度分别为434HV、452HV和470HV，从而得到重熔层的表面硬度随着水深的逐渐提高而增大，在有效激光功率范围内，水深较大时，所得到的水冷重熔层的硬度比空气重熔层有所提高；不同冷却水深下完全重熔区和未重熔区之间的硬度梯度的下降陡度有所不同，经较低激光功率重熔处理的焊层截面硬度的下降幅度快于高功率的。

3.根据权利要求2所述的铁基重熔层的组织和性能分析方法，其特征在于，所述步骤2中所述重熔层摩擦磨损性能分析结果包括：

激光重熔功率影响重熔层耐磨性的因素包括：激光重熔功率越大，使得合金元素的固溶量越增多，固溶强化作用越明显；当激光功率增加到一定范围时，重熔层之间避免了未搭接现象出现，使得其整体硬度趋于均匀和稳定，从而使得重熔层的耐磨性的提高幅度随着激光功率的提高而加大；在硬度区域均匀稳定的范围内，水环境的影响是，随着冷却水深的增加，耐磨性有所提高。

4.根据权利要求1所述的铁基重熔层的组织和性能分析方法，其特征在于，步骤3中得到的激光能量对合金结晶过程中生长形貌的影响规律包括：

随激光能量的增加，凝固平均冷速反而下降；

合金经激光辐照后，表面发生快速熔凝，快速凝固过程中合金处于非平衡态，凝固后生长形貌为枝晶态，随冷速增加，组织变得细化，枝晶长度和二次臂间距均变小，最终生成十字状细小的颗粒晶；

在冷却水中，由于水体的保护，激光的能量密度下降，使得凝固平均冷速提高，同时在水中冷却，冷却效果进一步提高，冷却速率大幅加快。

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