劉春閣，邱星武

(1 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川 德陽(yáng) 618000)(2 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，四川 德陽(yáng) 618000)

激光熔凝硬化是激光熱處理的一種，它是利用功率密度很高(105-107W·cm-2)的激光束在金屬表面連續(xù)掃描，在極短的時(shí)間內(nèi)與金屬交互作用，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當(dāng)高的溫度使之迅速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使熔池中的金屬以106-108℃/s的速度冷卻凝固，從而使金屬表面產(chǎn)生特殊的微觀組織機(jī)構(gòu)的一種表面改性方法[1-2]。

激光熔凝硬化過(guò)程中既有溫升又有熔化，在這個(gè)過(guò)程中需注意兩個(gè)溫度值：一個(gè)是材料的熔點(diǎn)，材料表面的最高加熱溫度應(yīng)高于材料本身的熔點(diǎn)；另一個(gè)是材料的奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度[3-4]。激光加熱過(guò)程中的最高溫度只有高于熔點(diǎn)時(shí)材料方可產(chǎn)生熔凝硬化的效果。材料表面的溫度及溫度梯度成為制定激光表面強(qiáng)化工藝方案和確定加工工藝參數(shù)的依據(jù)，激光輻射在金屬材料表面，使金屬內(nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。溫度梯度越大，越有利于引起材料中的原子遷移，結(jié)果在激光作用下，金屬在一定層深范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域的顯微組織有所不同，深度、硬度、耐磨性、耐蝕性等性能也與溫度梯度的分布有關(guān)。激光熔凝硬化處理和傳統(tǒng)熱處理相比，激光的加熱和冷卻均很快，因而具有特殊的熱量流動(dòng)形式，表現(xiàn)在冷卻時(shí)的馬氏體轉(zhuǎn)變及加熱時(shí)的奧氏體轉(zhuǎn)變均與常規(guī)熱處理過(guò)程有所不同。激光熱處理效果與基體熱影響區(qū)的受熱方式和特點(diǎn)密切相關(guān)，所以可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到適宜的激光加工參數(shù)(如掃描速度、離焦量、輸出功率)，獲得所需的硬化層[5]。熔凝硬化處理可以獲得很多非平衡組織。包括過(guò)飽和固溶體、新的非平衡相和非晶相。最終組織為鑄態(tài)胞狀組織，硬度較高，耐磨性也較好。

1 激光熔凝硬化的特點(diǎn)

激光熔凝硬化技術(shù)與其他熱處理技術(shù)(如滲碳、滲氮、高頻淬火等傳統(tǒng)工藝)相比，具有如下特點(diǎn)[6-8]：

1) 可以大幅度改變被處理材料表面的組織狀態(tài)而不需外加材料，大大改善工件的性能。激光熔凝硬化過(guò)程中的急熱急冷使硬化后馬氏體晶粒極細(xì)、位錯(cuò)密度相對(duì)于常規(guī)淬火要高；

2) 激光硬化層和基體呈冶金結(jié)合。對(duì)于材料整體強(qiáng)度，耐磨性，變形性均有利；

3) 變形小。由于激光改性處理時(shí)功率密度很高，與材料或零件接觸時(shí)間很短，所以熱變形很小，可以作為零件及材料的最后處理工序；

4) 柔性加工，應(yīng)用范圍廣。激光光斑直徑較小，同時(shí)對(duì)大面積表面進(jìn)行加工有困難，但可以利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而方便處理內(nèi)壁、內(nèi)孔、盲孔、深孔和凹槽等局部區(qū)域。改性層厚度與激光硬化中工藝參數(shù)息息相關(guān)，因此可根據(jù)需要調(diào)整硬化層深淺，一般可達(dá)0.1-1mm；

5) 工藝簡(jiǎn)單優(yōu)越。激光表面處理均在大氣環(huán)境中進(jìn)行，免除了鍍膜工藝中漫長(zhǎng)的抽真空時(shí)間，無(wú)明顯的機(jī)械力及切削刀具損耗，環(huán)保、綠色、勞動(dòng)環(huán)境好。激光器配以微機(jī)控制系統(tǒng)，很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，易于批量生產(chǎn)。效率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2 激光熔凝硬化工藝的影響因素

影響激光熔凝硬化工藝的因素可歸納為以下三類(lèi)：激光器物理結(jié)構(gòu)的影響、被處理材料表面狀態(tài)的影響、激光硬化過(guò)程中加工參數(shù)的影響。

2.1 激光器物理結(jié)構(gòu)的影響

激光器物理結(jié)構(gòu)的影響主要包括激光束模式(基模、高斯模)、模式穩(wěn)定性、振蕩方式、光斑形狀、光斑能量分布狀態(tài)、波長(zhǎng)、輸出功率的穩(wěn)定性、光束的發(fā)散角等[9-10]，上述參數(shù)決定于所選擇的激光器。

2.2 被處理材料表面狀態(tài)的影響

被處理材料表面狀態(tài)的影響包括材料的種類(lèi)、化學(xué)成分、幾何尺寸、表面狀態(tài)和原始組織等[11]。

金屬材料的含碳量及合金元素對(duì)處理后的效果有著較為明顯的影響。合金元素的含量對(duì)淬硬性沒(méi)有顯著的影響，但對(duì)鋼的淬透深度的影響卻很大，并對(duì)表層組織及硬度的均勻性起到一定的作用。

2.3 激光熔凝硬化過(guò)程中加工參數(shù)的影響

激光熔凝硬化工藝參數(shù)主要是激光器輸出功率、掃描速度和作用在材料表面上的光斑尺寸大小[12]，三者的綜合作用直接反映了硬化過(guò)程的溫度及保溫時(shí)間。

從激光硬化層強(qiáng)度與三個(gè)主要參數(shù)的關(guān)系可以看出各參數(shù)的作用。作用于被處理材料表面的激光功率密度(P/D)和激光掃描速度是影響激光硬化質(zhì)量的決定因素。激光功率密度取決于激光器輸出的激光作用于被處理材料表面的有效功率和光斑直徑的大小，而光斑直徑的大小與激光透鏡焦點(diǎn)距離被處理材料表面的距離有關(guān)。因此在確定激光硬化加工工藝參數(shù)時(shí)，必須關(guān)注三個(gè)參數(shù)，即：激光功率、光斑直徑和激光掃描速度。

除上述三個(gè)基本參數(shù)外，硬化帶的掃描花樣(圖形)和硬化面積比例，以及硬化帶的寬窄對(duì)零件激光硬化后的效果有一定的影響。

3 激光熔凝硬化表面形貌的控制

由于激光熔凝硬化技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)，使得許多工件不需要后續(xù)處理，因此要控制硬化時(shí)的表面形貌。表面形貌形成原因是熔凝區(qū)形成高的溫度梯度，導(dǎo)致了表面形成高的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力梯度和熔體中的環(huán)流運(yùn)動(dòng)，熔體中的應(yīng)力變化需要用表面的彎曲來(lái)補(bǔ)償，因而形成表面凹陷?？刂频姆椒ㄖ饕牵?/p>

1) 選用最佳的熔凝參數(shù)和工藝方法。參數(shù)中影響最大的是功率密度，掃描速度應(yīng)較低，使形成的環(huán)流渦流分解成許多細(xì)小環(huán)流[13]；

2) 加入專(zhuān)用的添加劑，以減小熔凝層流體的流動(dòng)速度[14]。例如：在鋼表面涂S(加S的熔體流動(dòng)方向與加C的相反)，即表面能量吸收涂料中同時(shí)添加C和S。

4 激光熔凝硬化的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

激光技術(shù)自其誕生就被廣泛用于凝固理論和技術(shù)的研究工作中[15]。激光表面熔凝處理作為一種可控性極強(qiáng)的凝固技術(shù)在凝固理論研究和材料的表面改性中發(fā)揮了重要的作用[16-18]。利用激光作為熱源進(jìn)行快速熔凝實(shí)驗(yàn)，能夠在凝固速率很高時(shí)還保持很高的溫度梯度。

目前，激光熔凝技術(shù)大部分還處于實(shí)驗(yàn)室階段。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有用脈沖YAG固體激光對(duì)工具鋼、高速鋼、不銹鋼等材料進(jìn)行表面局部熔凝處理的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。但僅局限于厚板 (t≥ 5mm )試樣，而對(duì)于薄板試樣的研究報(bào)道較少[19]。自1984年發(fā)現(xiàn)具有五次對(duì)稱(chēng)電子衍射圖的二十面準(zhǔn)晶相以來(lái)，準(zhǔn)晶已成為凝聚態(tài)物理學(xué)研究的重點(diǎn)，近年來(lái)從理論模型、表述方法到實(shí)驗(yàn)室制取高質(zhì)量的單晶，取得了一些成果[20]。隨著激光表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于軋輥的表面強(qiáng)化。熱軋輥?zhàn)鳛檐堉粕a(chǎn)的關(guān)鍵部件，工作時(shí)承受到較大的工作壓力及沖擊作用，而孔型表面直接和高溫(>1000℃)軋材接觸，承受著較大的磨損和熱疲勞作用，因此要求軋輥整體要有較好的強(qiáng)韌性，其工作表面更要有較高的耐磨性和抗熱疲勞性，采用激光熔凝強(qiáng)化技術(shù)可進(jìn)行表面強(qiáng)化[21]處理。

激光熔凝技術(shù)還有很大的發(fā)展空間及研究?jī)r(jià)值，對(duì)金屬材料、非金屬材料進(jìn)行表面處理可獲得優(yōu)異的性能，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，可以預(yù)見(jiàn)，隨著科學(xué)研究的不斷創(chuàng)新及發(fā)展其應(yīng)用也會(huì)日益廣泛。

[1] 應(yīng)小東,李午申,馮靈芝.激光表面改性技術(shù)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J].焊接,2003,(1):5-8.

[2]王秀彥,安國(guó)平,李棟.摸具表面的激光非熔凝加工的應(yīng)用研究綜述[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,27(4):415-419.

[3]張永康,周建忠,葉云霞.激光加工技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4]李俊昌.激光熱處理溫度場(chǎng)及相變硬化帶的快速計(jì)算[J].中國(guó)激光,1997,24(7):665-672.

[5]Adam Bokota,Slawomir Iskierka.Numerical simulation of transient and residual stresses caused by laser hardening of slender elements[J].Computational Materials Science, 1997, 7(4):366-376.

[6]吳旭峰,張文珍,郭亨群.激光熱處理的工藝模型與實(shí)驗(yàn)研究[J].光電子·激光,1999, 10(6):553-556.

[7]劉勁松,李力鈞.激光熱處理的模擬及其應(yīng)用[J].應(yīng)用激光,1996,16(6):264-266.

[8]閆毓禾,鐘敏霖.高功率激光及其應(yīng)用[M].天津:天津科技出版社,1994.

[9]孫希泰.材料表面強(qiáng)化技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2005(4):218.

[10]王秀彥,王秀鳳,安國(guó)平.激光相變硬化在模具表面強(qiáng)化中的應(yīng)用研究[J].鍛壓機(jī)械,2001(2):42.

[11]曲敬信,汪泓宏.表面工程手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2003,9(2):533.

[12]史美堂.金屬材料及熱處理[M].上海:上海工業(yè)大學(xué)出版社,1988.

[13]吳健.金屬材料的激光相變硬化機(jī)理及其工藝參數(shù)優(yōu)化[J].熱加工工藝,2004(07):67-72.

[14]M .Zimmermann,M.Carrard,M.Gremaydetal.Characterization of the banded structure in rapidly solidified Al-Cualloys.Mater.Sci.&Eng. 1991,134(25):1278-1282.

[15]李剛, 邱玲, 邱星武.不同激光器熔凝處理40Cr 鋼硬化層的顯微組織及深度[J].機(jī)械工程材料,2009,33(6):77-79.

[16]劉永長(zhǎng),楊根倉(cāng),劉新寶.激光熔凝Al72Ni12Co16中十面體準(zhǔn)晶的生長(zhǎng)[J].科學(xué)通報(bào), 2000,(4):444.

[17]李剛,邱玲,邱星武.40Cr激光熔凝硬化組織形態(tài)及硬度研究[J].熱加工工工藝,2008,29(3): 25-28.

[18]蘇云鵬,王猛,林鑫.激光快速熔凝Zn-2%Cu包晶合金的顯微組織[J].金屬學(xué)報(bào),2005,(1): 67-72.

[19]S.C.Gill,M.Zimmermann,W.Kurz.Laser resolidification of the Al-Al2 Cu eutectic:the coupled zone.Acea Metall.Mater,1992, 40(11) :2895-2906.

[20]J.Singh.Review:laser beam and photoh-assisted processed materials and their microstructures. J.Mater.Sci.1994,29(20):5232-5258.

[21]王貴,王建國(guó),周新初. 軋輥鋼激光熔凝處理組織及性能研究[J].金屬與熱處理,2001,(3): 33.