激光光表面熔凝強化

激光熔凝（laser fused）是利用高能激光束加熱材料，使其表面薄層快速熔化和凝固的一種激光熱處理過程。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，在極短的時間內與金屬交互作用，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構的一種表面改性方法。

激光表面熔凝處理主要應用于材料科學技術，它是一項全新的材料表面改性技術，越來越受到了人們的廣泛關注。由于鑄造鋁硅合金具有鑄造性能好、熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性高等特點，它在工業(yè)上得到了廣泛應用。共晶ZL101合金、GCr15 軸承鋼、45 鋼、75CrMnMo 鑄鋼也是目前國內廣泛應用的材料。隨著20世紀70年代激光表面強化技術的興起,激光表面強化技術開始應用于軋輥的表面強化。

激光熔凝硬化過程中既有溫升又有熔化，在這個過程中需注意兩個溫度值: 一個是材料的熔點，材料表面的最高加熱溫度應高于材料本身的熔點; 另一個是材料的奧氏體臨界轉變溫度。激光加熱過程中的最高溫度只有高于熔點時材料方可產(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，使金屬內部的顯微結構發(fā)生變化。溫度梯度越大，越有利于引起材料中的原子遷移，結果在激光作用下，金屬在一定層深范圍內產(chǎn)生數(shù)個區(qū)域，各個區(qū)域的顯微組織有所不同，深度、強度、耐磨性、耐蝕性等性能也與溫度梯度的分布有關。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形式，表現(xiàn)在冷卻時的馬氏體轉變及加熱時的奧氏體轉變均與常規(guī)熱處理過程有所不同。激光熱處理效果與基體熱影響區(qū)的受熱方式和特點密切相關，所以可以通過實驗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。熔凝強化處理可以獲得很多非平衡組織。包括過飽和固溶體、新的非平衡相和非晶相，最終組織為鑄態(tài)胞狀組織。所以激光熔凝層組織使材料具有良好的摩擦學特性：硬度較高，耐磨性也較好。

激光熔凝強化的特點

激光熔凝強化技術與其他熱處理技術( 如滲碳、滲氮、高頻淬火等傳統(tǒng)工藝) 相比，具有如下特點：

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。激光熔凝硬化過程中的急熱急冷使硬化后馬氏體晶粒極細、位錯密度相對于常規(guī)淬火要高;

2) 激光硬化層和基體呈冶金結合。對于材料整體強度，耐磨性，變形性均有利;

3) 變形小.由于激光改性處理時功率密度很高，與材料或零件接觸時間很短，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，應用范圍廣。激光光斑直徑較小，同時對大面積表面進行加工有困難，但可以利用靈活的導光系統(tǒng)隨意將激光導向處理部分，從而方便處理內壁、內孔、盲孔、深孔和凹槽等局部區(qū)域。改性層厚度與激光強化中工藝參數(shù)息息相關，因此可根據(jù)需要調整硬化層深淺，一般可達0.1－1mm;

5) 工藝簡單優(yōu)越。激光表面處理均在大氣環(huán)境中進行，免除了鍍膜工藝中漫長的抽真空時間，無明顯的機械力及切削刀具損耗，環(huán)保、綠色、勞動環(huán)境好。激光器配以微機控制系統(tǒng)，很容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，易于批量生產(chǎn)。效率高，經(jīng)濟效益顯著。

激光熔凝強化工藝的影響因素

影響激光熔凝強化工藝的因素可歸納為以下三類: 激光器物理結構的影響、被處理材料表面狀態(tài)的影響、激光強化過程中加工參數(shù)的影響。

激光器物理結構的影響

激光器物理結構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、輸出功率的穩(wěn)定性、光束的發(fā)散角等，上述參數(shù)決定于所選擇的激光器。

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、化學成分、幾何尺寸、表面狀態(tài)和原始組織等。

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

激光熔凝強化過程中加工參數(shù)的影響

激光熔凝強化工藝參數(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，三者的綜合作用直接反映了硬化過程的溫度及保溫時間。

從激光強化層強度與三個主要參數(shù)的關系可以看出各參數(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距離被處理材料表面的距離有關。因此在確定激光硬化加工工藝參數(shù)時，必須關注三個參數(shù)，即: 激光功率、光斑直徑和激光掃描速度。

除上述三個基本參數(shù)外，硬化帶的掃描花樣( 圖形) 和強化面積比例，以及強化帶的寬窄對零件激光強化后的效果有一定的影響。

激光熔凝強化表面形貌的控制

由于激光熔凝強化技術的許多優(yōu)點，使得許多工件不需要后續(xù)處理，因此要控制硬化時的表面形貌。表面形貌形成原因是熔凝區(qū)形成高的溫度梯度，導致了表面形成高的應力場、應力梯度和熔體中的環(huán)流運動，熔體中的應力變化需要用表面的彎曲來補償，因而形成表面凹陷。

控制的方法主要是:

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，掃描速度應較低，使形成的環(huán)流渦流分解成許多細小環(huán)流；

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

 激光熔凝強化的應用和研究現(xiàn)狀

激光技術自其誕生就被廣泛用于凝固理論和技術的研究工作中。激光表面熔凝處理作為一種可控性極強的凝固技術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。利用激光作為熱源進行快速熔凝實驗，能夠在凝固速率很高時還保持很高的溫度梯度。

   目前，激光熔凝技術大部分還處于實驗室階段。國內外已經(jīng)有用脈沖YAG固體激光對工具鋼、高速鋼、不銹鋼等材料進行表面局部熔凝處理的實驗報道。但僅局限于厚板(t≥ 5mm ) 試樣，而對于薄板試樣的研究報道較少。自1984 年發(fā)現(xiàn)具有五次對稱電子衍射圖的二十面準晶相以來，準晶已成為凝聚態(tài)物理學研究的重點，近年來從理論模型、表述方法到實驗室制取高質量的單晶，取得了一些成果。隨著激光表面強化技術的發(fā)展，該技術開始應用于軋輥的表面強化。熱軋輥作為軋制生產(chǎn)的關鍵部件，工作時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，采用激光熔凝強化技術可進行表面強化處理。

激光熔凝技術還有很大的發(fā)展空間及研究價值，對金屬材料、非金屬材料進行表面處理可獲得優(yōu)異的性能，延長設備的使用壽命，可以預見，隨著科學研究的不斷創(chuàng)新及發(fā)展其應用也會日益廣泛。

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2014-1219