（材料加工工程专业论文）ggg70l激光表面淬火工艺参数及淬火层性能研究.pdf

i i i i iii i i i i i j l l l li i i p i i i i ii l l l i l l l l lilll y 2 2 7 4 5 14 t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e s t u d y o nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n d q u e n c h e dl a y e r p e r f o r m a n c eo fl a s e r s u r f a c eh a r d e n i n go fg g g 7 0 l b y b oy i n s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry u n t a ol i p r o f e s s o r a t es e n i o re n g i n e e r s h i p i n gc h a n g d e c e m b e r2 0 12 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大望或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 - n 学位论文作者签名： 7 删 签字日期：为；年罗月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工大望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：尹华孕导师签名：李多、珑 签字日期：加侈年乡月4 日 签字日期：2 7 - 5 年3 月 日 摘要 近年来，我国的模具产量增长迅速，但大型、精密、复杂、长寿命的高档模具仍然 缺口很大。实践表明，模具的各种失效形式，往往都与模具材料表面性能有关。在生产 过程中，模具表面往往由于承受各种复杂应力而影响模具的质量和寿命，传统的表面处 理方法已无法满足工业生产的要求。目前激光技术正在逐步替代许多传统处理技术的应 用领域，其中，激光表面淬火技术作为一种最成熟的激光热处理技术已经成为研究的热 点。 本文针对汽车工业生产中常见的模具材料g g g 7 0 l 进行激光表面淬火实验，对不同 工艺参数进行相互组合，通过各项实验( 如表面状态观察、表面硬度测定、显微组织观 察、显微硬度测定、摩擦磨损性能测试) 选取最优的工艺参数，并利用a n s y s 有限元 模拟软件对最佳工艺参数下材料的激光表面淬火过程进行模拟，结合实验数据进行分析 和验证，以期能为实践生产提供实验依据和理论指导。 1 、激光功率p = 1 9 0 0 w 、扫描速度v = 6 m m s 的工艺参数组合处理的g g g 7 0 l 材料 的表面质量能满足工业生产要求；如果工件的表面允许出现微熔，那么激光功率在 2 2 0 0 w - 2 4 0 0 w 之间、扫描速度v = 6 m m s 和激光功率p = 1 9 0 0 w 、扫描速度v = 4 m m s 时 也能满足生产要求。 2 、针对材料淬火层横截面的显微硬度测定可知，激光的功率在1 9 0 0 w - 2 8 0 0 w 之间、 扫描速度v = 6 m m s 和扫描速度在2 m m s 6 m m s 之间、激光功率p = 1 9 0 0 w 时，激光表 面淬火层较深。 3 、通过淬火层组织分析得出：激光功率p 在19 0 0 w - 2 8 0 0 w 之间、扫描速度v = 6 m m s 和激光功率p = 1 9 0 0 w 、扫描速度v 在2 m m s 6 m m s 范围内，激光表面淬火的效果较好。 4 、将材料进行耐磨性实验研究可知：激光功率为1 9 0 0 w 、2 2 0 0 w 、2 4 0 0 w 、2 6 0 0 w 、 2 8 0 0 w ，扫描速度v = 6 m m s 时，材料表面的耐磨性好；当激光扫描速度为4 m m s 和 6 m m s ，激光功率p = 1 9 0 0 w 时，材料表面的耐磨性好。 5 、通过实验研究，同时考虑实际生产当中的生产成本、工作效率和产品质量标准 等因素，g g g 7 0 l 激光表面淬火应选取的最佳工艺参数为激光功率p = 1 9 0 0 w 、激光扫 描速度v = 6 m m s 。 6 、g g g 7 0 l 激光表面淬火过程的有限元模拟，较好的预测了三维实体模型的温度 分布形貌；对于淬火层厚度，模拟结果是o 6 m m ，这与实验值0 3 m m 0 4 m m 存在一定 的偏差。 关键词：g g g 7 0 l 激光表面淬火工艺参数淬火层性能a n s y s 有限元模拟 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eg r o w t ho fo u rc o u n t r y sm o l dp r o d u c t i o ni sr a p i d ，b u tt h e r ei ss t i l la b i gg a pi nl a r g e ，p r e c i s i o n ，c o m p l e x ，l o n gl i f eh i g h g r a d em o l d t h ep r a c t i c a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ev a r i o u sf a i l u r em o d e so fm o l da r eo f t e nr e l a t e dt ot h es u r f a c ep r o p e r t i e so ft h em o l d m a t e r i a l d u et oa l lk i n d so fc o m p l e xs t r e s s e s ，m o l ds u r f a c eo f t e ni m p a c tt h eq u a l i t ya n dl i f e o ft h em o l di nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s t r a d i t i o n a ls u r f a c et r e a t m e n tm e t h o dh a sb e e nu n a b l e t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n l a s e rt e c h n o l o g yi s c u r r e n t l yr e p l a c i n g m a n yt r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s l a s e rs u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n o l o g y , a so n eo ft h e m o s ts o p h i s t i c a t e dl a s e rh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , h a sb e e nc a r r i e do u t i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a lo fl a s e rs u r f a c eh a r d e n i n gi sm o l dm a t e r i a l g g g 7 0 lw h i c hi sc o m m o ni nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yp r o d u c t i o n t h r o u g hv a r i o u s e x p e r i m e n t s ( s u c ha ss u r f a c es t a t eo b s e r v a t i o n ，s u r f a c eh a r d n e s sm e a s u r e m e n t ，m i c r o s t r u c t u r a l o b s e r v a t i o n ，m i c r o h a r d n e s sd e t e r m i n a t i o na n df r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c et e s t ) ，m u t u a l c o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sg e tt h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sa n du s e a n s y sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r et os i m u l a t et h el a s e rs u r f a c eh a r d e n i n gp r o c e s so f t h em a t e r i a lu n d e rt h eo p t i m a lp a r a m e t e r s ，c o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i sa n d v a l i d a t i o n ，i no r d e rt op r o v i d ee x p e r i m e n t a le v i d e n c ea n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ep r a c t i c e o fp r o d u c t i o n 1 t h es u r f a c eq u a l i t yo fg g g 7 0 l ，w h i c hi st r e a t e du n d e rl a s e rp o w e rp = 19 0 0 wa n d s c a n n i n gs p e e dv = 6 m m s w i l lb ea b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ；i f t h es u r f a c eo f w o r k p i e c ei sa l l o w e dt ob et i n ym e l t e d 1 a s e rp o w e rp = 2 2 0 0 wa n dp = 2 4 0 0 w , s c a n n i n gs p e e dv = 6 m m sa n dl a s e rp o w e r p = 19 0 0 w , s c a n n i n gs p e e dv = 4 m m s t h es u r f a c e c a na l s ob es u i t a b l e 2 t h em i c r o h a r d n e s st e s to fq u e n c h e dl a y e ri n d i c a t e st h a tl a s e rp o w e rb e t w e e n19 0 0 w a n d2 8 0 0 w , s c a n n i n gs p e e dv = 6 m m sa n ds c a n n i n gs p e e db e t w e e n2 m m sa n d6 m m s ，l a s e r p o w e r p = 19 0 0 w , t h es a m p l e so fl a s e rs u r f a c eh a r d e n i n gg e ta d e e p e rq u e n c h e dl a y e r 3 t h ea n a l y s i so fm i c r o s t r u c t u r eo fq u e n c h e dl a y e rs h o w st h a tl a s e rp o w e rb e t w e e n 19 0 0 wa n d2 8 0 0 w , t h es c a n n i n gs p e e dv = 6 m r n sa n dl a s e rp o w e rp = 1 9 0 0 w , s c a n n i n g s p e e db e t w e e n2 m m sa n d6 m m s ，t h ee f f e c to ft h es a m p l e so u t p e r f o r mt h eo t h e r s 4 t h es t u d yo fw e a rr e s i s t a n c et e s t sd e m o n s t r a t e st h a tl a s e rp o w e ri s19 0 0 w , 2 2 0 0 w , 2 4 0 0 w , 2 6 0 0 w , 2 8 0 0 w , s c a n n i n gs p e e dv = 6 m m sa n dl a s e rp o w e r19 0 0 w , s c a n n i n gs p e e d i sb e t w e e n2 m m sa n d6 m m s ，t h es u r f a c eh a sa h i g hr e s i s t a n c et ow e a e 5 c o n s i d e r i n g t h e p r o d u c t i o nc o s t s ，e f f i c i e n c y , p r o d u c tq u a l i t y s t a n d a r d sa n d e x p e r i m e n t a ld a t ao fl a s e rs u r f a c eh a r d e n i n g ，o p t i m a lp a r a m e t e r so fg g g 7 0 l m a t e r i a la r e u l t i m a t e l yd e t e r m i n e ：l a s e rp o w e r19 0 0 w , s c a n n i n gs p e e d6 m m s ， 6 t h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na c c u r a t e l yp r e d i c tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o ft h em a t e r i a lf o rl a s e rs u r f a c eh a r d e n i n g t h et h i c k n e s so fh a r d e n e dl a y e ro fs i m u l a t i o ni s 0 6 m m ，w h i c hh a sac e r t a i nd e v i a t i o ni nc o n t r a s tt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：g g g 7 0 l ，l a s e rs u r f a c eh a r d e n i n g ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，q u e n c h e dl a y e r p e r f o r m a n c e ，a n s y sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 目录 第一章绪论一1 1 1 引言1 1 2 激光表面处理技术分类3 1 3 激光表面淬火技术概述5 1 3 1 激光表面淬火技术机理5 1 3 2 激光表面淬火技术特点6 1 4 激光表面淬火工艺7 1 4 1 常用的设备类型7 1 4 2 材料表面预处理1 0 1 4 3 激光表面淬火工艺参数及其相互作用1l 1 5 激光表面淬火的工业发展1 2 1 6 课题的研究目的和意义1 3 第二章实验设计方案1 4 2 1 实验目的1 4 2 2 实验设备1 4 2 3 实验方法15 2 4 激光表面淬火质量的工艺标准1 5 2 5 实验步骤16 2 5 1 材料表面预处理1 6 2 5 2 激光表面淬火处理一17 2 5 3 表面状态观察17 2 5 4 表面硬度测定17 2 5 5 显微组织观察18 2 5 6 显微硬度测试一18 2 5 7 耐磨性能测试18 2 6a n s y s 有限元模拟分析18 2 7 本章小结18 第三章g g g 7 0 l 激光表面淬火工艺研究1 9 3 1 激光表面淬火准备实验1 9 3 1 14 5 钢的激光表而淬火1 9 3 1 27 c r s i m n m o v 钢的激光表面淬火2 l 3 1 3c r l 2 m o v 钢的激光表面淬火2 3 3 2g g g 7 0 l 的激光表面淬火实验2 9 3 2 1 实验材料一2 9 3 2 2 实验步骤3 0 3 2 3 实验结果分析一3l 3 3 本章小结3 5 第四章g g g 7 0 l 表面淬火层性能研究3 6 4 1g g g 7 0 l 的显微硬度分析3 6 4 1 1 试样的制备3 6 4 1 2 实验方法3 6 4 1 3 实验结果及分析3 6 4 2g g g 7 0 l 的金相显微组织分析3 7 4 2 1 试样的制备3 7 4 2 2 实验方法3 8 4 2 3 实验结果及分析3 8 4 3g g g 7 0 l 的摩擦磨损实验4 1 4 3 1 试样的制备4 1 4 3 2 实验方法4 1 4 3 3 实验结果及分析4 2 4 4 本章小结4 5 第五章g g g 7 0 l 激光表面淬火温度场的有限元模拟4 6 5 1a n s y s 有限元模拟软件简介4 6 5 2a n s y s 瞬态热分析的基本步骤一4 6 5 2 1 建模4 6 5 2 2 施加载荷求解一4 6 5 2 3 查看求解结果4 7 5 3 激光表面淬火温度场有限元模拟4 7 5 3 1 基本理论假设4 7 5 3 2 激光表面淬火传热方程及边界条件4 7 5 3 3 参数的选择4 8 5 3 4 三维瞬态温度场模拟4 9 5 4 本章小结5 3 第六章结论5 4 参考文献一5 5 发表论文和科研情况说明5 9 致谢6 0 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近1 0 年来，我国的模具产值每年以1 5 以上的速度高速增长，远远高于我国每年 g d p 的增长速度，然而，模具总量仍然无法满足工业需求，国产模具的自给率还不到总 量的8 0 ，其中，中低档模具已经供过于求，而高档模具( 尤其是大型、精密、复杂、 长寿命的模具) 5 0 以上需要依赖进口，我国模具的年进口额相当于模具总产值的2 5 3 0 。一辆汽车的零部件比如汽车车身、汽车发动机和汽车内饰件等等，9 0 以上都需 要采用模具成形，即使是制造一款普通的轿车也大约需要用1 0 0 0 多副的冲压模具和2 0 0 多副的内饰件模具。生产一个车款就需要制造1 2 0 0 多副模具，可见模具在汽车制造中 的作用至关重要l ij 。 在汽车工业生产当中，常见的汽车模具材料主要有【2 】： 1 、碳素工具钢，其组织主要以铁素体为主，根据含碳量的不同，常用的碳素工具 钢的牌号主要有t 8 a 、t 1 0 a 、t 1 2 a 等。 2 、合金工具钢，一般常见的主要有：铬系工具钢，代表钢种有c r l 2 、c r l 2 m o v 、 c r l 2 m o l v l 等；铬钨钼钒系工具钢，代表钢种有c r w m n 、c r 5 m o l v 、9 c r w m n 等。使 用在汽车模具上的合金工具钢主要是铸态的和锻态的，对于形状复杂、负荷重、变形要 求严的的凸凹模或刀刃需要采用铸态的合金工具钢。 3 、铸铁，常用的铸铁主要有灰口铸铁、球墨铸铁、合金铸铁等，代表的牌号有g g 2 5 、 h t 2 5 0 、g g g 7 0 l 、g m 3 3 8 、q t 6 0 2 等，除了h t l 5 0 、h t 2 0 0 、g g 2 5 外，都可以用火 焰淬火处理，并且其铸造性能良好。铸铁主要用在拉延凸、凹模、压边圈和模具底座。 4 、空冷钢，空冷钢中所含的贵重合金元素比较少，价格低廉。空冷钢是一种以铸 代锻的高碳低合金钢，代表的牌号有i c d 5 、a m c 5 、s x l0 5 v 等。经表面淬火后硬度可 达5 0 h r c 6 5 h r c ，可用作模具的修边刀口、翻边镶块和整形镶块等。其具有强度高、 韧性好、工艺性良好，淬火温度低，淬火后的变形小，耐磨性好等优点，常用于制造生 产汽车覆盖件的模具。 在工业机械零件和工模具制造的过程中，一方面为了在保证高精度的同时，使零部 件表面具有硬度高、耐磨性好、抗疲劳性高等性能；另一方面希望零部件心部具有良好 的塑性和韧性，以降低发生脆性断裂的概率而普遍采用金属表面热处理技术。金属的热 处理是将金属工件放在某种介质内经过加热、保温、冷却过程，通过改变工件表面或内 部的化学成分、显微组织结构，从而控制其性能的一种金属热加工工艺。根据加热和冷 却方式的差异，可以把热处理过程分为退火、正火、淬火、回火四种基本工艺，退火、 f 火的目的相似，都是为了消除材料内应力、降低硬度从而获得良好的加工性，而淬火 处理可以提高金属材料的强度、硬度、耐磨性、疲劳性等来满足机械零件和工具的使用 第一章绪论 要求，回火可以用来消除材料的内应力，防止零件的变形或开裂。 汽车模具在工业生产当中，由于模具所处的： 作条件比较苛刻，模具表面要承受各 种复杂应力比如挤压、摩擦等等，再加上生产环境的恶劣，表面不可避免地会发生磨损、 氧化、腐蚀等现象，最终可能会造成模具的整体失效，同时模具表面的质量状态是产品 质量的关键因素，因此，为了保证模具的使用寿命和产品质量，必须从延缓和控制模具 的表面失效入手。然而传统的模具表面处理技术已经无法满足现在工业对于模具表面高 性能的要求，寻找一种替代的先进制造工艺对汽车制造业来说具有深远的意义【3 1 。 每天，全球汽车制造领域的专家们都在思考这样几个问题：怎样才能使汽车的安全 性更高，怎样才能使汽车的生产更简单，怎样才能使汽车的整体外形甚至是每个零部件 更美观、更精致，怎样才能使汽车制造中的能耗减少和成本降低 4 】? 近3 0 年来，随着科 学技术的快速进步，许多传统技术不断革新，使得金属的表面强化技术取得了很大的突 破，出此出现的许多表面强化技术已经演变成为当前材料表面处理技术的主流：例如， 千瓦级的大功率激光器出现以后，便在工业制造领域得到了广泛的应用 5 ，6 1 。采用激光 作为热源对金属进行加热，不但有利予环保而且便于实现自动化。 激光技术是人类进入2 0 世纪以来的一个伟大发明，最初被称作“镭射”或者“莱 塞”，是英文单词l a s e r 的音译，取自英文l i 曲ta m p l i 6 c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n 的所有单词的首写字母所组成的缩写单词。意思是“受激辐射的光放大”。其 原理是国际著名物理学家爱因斯坦在1 9 1 7 年首次发现的，这一理论是说在组成所有物 质的原子当中，有不同数量的粒子( 电子) 分布于不同的能级之上，当高能级上的粒子 受到某种光子的激发时，会从高能级跳到( 跃迁) 到低能级之上，这时将会辐射出与激 发源相同性质的光，并且在某种状态下，一个弱光甚至能过激发出一个强光。这种现象 我们就称其为“受激辐射的光放大”，即激光。但直到1 9 6 0 年的7 月，世界上第一台激 光发生器( 即红宝石激光器) 才被美国体斯顿飞机公司的梅曼( m a i m a n ) 博士研制成 功，此后各种类型的激光器相继问世，并被广泛应用到工业、农业、国防、科技、医学 等领域，发挥巨大的作用【7 j 。 激光是单色光，由于其具有相干性、方向性好，并且亮度高等优点引起了人们的广 泛关注和深入的研究。目前，各种被实际应用的激光加工技术( 如激光打孔、标刻、划 线、焊接、微调、切割、表面改性等) 的迅速发展，现已经成为发展新兴产业、替代传 统制造技术的关键。纵观国外( 如美国、德国、同本等) 的各个工业领域，激光加工技 术应用已十分普遍，以2 0 0 3 年为例，二氧化碳激光发生器的全球工业产量北美和欧洲 分别占了6 2 、2 2 ，而亚洲只占了1 6 ；固体激光发生器的全球工业产量北美和欧洲 分别占了3 5 、4 l ，丽亚洲只占了2 4 ，并且在亚洲同本占了主要的市场份额。我国 的激光产业在2 0 世纪9 0 年代才开始起步，虽然与发达国家之问有着很大的差距，僵随 着我国的经济社会的快速发展，激光技术也得到了长足的进步婵j 。 激光热处理技术是利用激光所具有的极高的功率密度来处理金属表面的一种热处 理技术，常见的如激光表面淬火、激光熔凝、激光熔覆、激光表面合金化、激光冲击硬 化、激光物理气相沉积( l p v d ) 、激光化学气相沉积( l c v d ) 、激光非晶化等等p j 。在工 且k 生产应用中，激光热处理具有如f 技术特点：( 1 ) 较高的加热、冷却速率使得其具有 第一章绪论 较高的生产速率；( 2 ) 通过调整光斑尺寸大小可以对结构复杂、精密零部件进行局部或 特殊位置( 如管孔、深沟、微区、夹角和刀具刃口等) 的热处理；( 3 ) 利用激光能远距 离传送的特点，可以实现一台激光器多个工作台单独或共同使用；( 4 ) 产品的质量及稳 定性好，既适合小批量的单件生产，也可以大批量的：业生产；( 5 ) 容易实现计算机的 编程控制，操作简单。目前，美国、西欧以及日本等发达国家已经将激光热处理技术广 泛应用到工具、量具、摸具、机械、汽车、船舶、轻工、兵器、航空航天等领域【1 0 】。 近年来，随着科学技术的发展和计算机硬件水平的提高，采用有限元法对激光热处 理技术进行数值模拟已成为一个研究的热点。所谓数值模拟技术也称为计算机模拟技 术，它最早诞生于1 9 5 3 年，利用计算枫建立数学模型，通过对数值的求解计算得到结 果数据，大量的结果数据通过图像形象地显示，来对工程和物理问题甚至是自然界各种 问题进行深入研究的一种手段方法。将激光表面处理过程进行有限元模拟不仅可以通过 模拟结果预测最优的工艺参数，而且可以更好地理解各种因素之间的相互影响。a n s y s 模拟软件是众多c a e 有限元模拟软件中的一种，由世界著名软件公司a n s y s 公司开发， 其将结构分析、流体分析、电场分析、磁场分析、声场分析以及热分析等于一体，被广 泛应用于航空、航天、电子、汽车、交通、土木、通信、水利、建筑、电子、船舶、生 物、医疗、国防、石油、化工、地矿等众多行业i l 。 1 2 激光表面处理技术分类 ( 1 ) 激光表面淬火 激光表面淬火( 1 a s e rs u 施c eh a r d e n i i l g ) 又被称为激光相变硬化( l a s e rt m s f o a t i o n h a r d e n i n g ) ，是利用高功率密度的激光束使被照射的工件迅速升温，然后通过其自身的 “自冷淬火”来提高位错密度、细化组织、提高圃溶含碳量从而使表面得到强化的技术。 激光表面淬火技术作为激光表面技术应用的一个重要的领域【l2 1 ，一般被用在碳钢、合金 钢、模具钢和铸铁等铁基材料当中，一般与常规淬火相比，工件表面经激光淬火后的硬 度值可以提高1 5 2 0 ，耐磨性提高2 4 倍，淬火层的深度一般在0 2 n 硼o 5 m m 之间，当功率足够大时，淬火层甚至可以超过l m m 【i 引。例如，采用传统的火焰淬火处 理大型的汽车覆盖件模具，其表面的淬火硬度一般只能够达到4 0h r c 5 0 h r c ，而采 用激光表面淬火后，其表面的淬火硬度可以提高到5 5h r c 6 5 h r c ，极大地提高了模 具的耐磨性，延长了模具的使用寿命。 ( 2 ) 激光表面合金化 激光表面合金化( 1 a s e rs u r f a c ea 1 1 0 y i n g ) 是利用高能量的激光束快速辐射，使基体 材料表层和根据需要所添加的合金元素熔合在一起，从而在很短的时间内形成以原材料 为基底同时具有一定深度的表面合金层。表面合会化技术是1 诤| l 既改变表层材料的物理 状态同时又改变材料的化学状态的激光表面处理技术。由于其具订熔化区和热影响区 小、表两光洁度高、被加工的工件几乎不会产生变形或丌裂等现象、使用的合会少，利 用率高、可以在不规则的零件上精确控制合会化的深度等优点，因此在钢铁、有色金属、 半导体和金属薄膜等领域得到了广泛的应用i i 制。 第一章绪论 ( 3 ) 激光熔凝 激光熔凝( 1 a s e rf u s e d ) 是利用激光束快速照射材料与金属发生交互作用，材料表 面局部区域温度升高到熔点以上时，材料发生熔化再依靠自身的基体导热以1 0 6 1 0 8 的速度快速冷却降温而使熔化层表面凝固获得激冷组织的工艺过程 15 1 。激光熔凝的组 织十分细密，沿着深度方向根据组织性能的不同可以依次分为熔化凝固区、相变硬化 区、热影响区和基体。激光熔凝层的硬化层深度、表面硬度和耐磨性比激光淬火层要好。 但其唯一的缺陷在于工件表面的状态会受到一定程度的破坏，所以一般不能够将其作为 最终热处理的工序，还得需要后续的机械加工，这样一来不但提高了成本同时降低了生 产效率。 ( 4 ) 激光熔覆 激光熔覆( 1 a s e rc l a d d i n g ) 又被称为激光包覆或激光熔敷，对其最早的研究工作开 始于2 0 世纪7 0 年代，是一种改变材料表面物理状态和化学状态的改性技术。它通过在 被涂覆的基材表面放置熔覆材料，利用高能密度的激光束辐照使之和基材表面薄层同时 熔化、扩展并迅速冷却凝固的过程，在表面形成稀释度低、与基体材料冶金结合的熔覆 层。应用激光熔覆技术处理模具表面，既可以对加工成坯的模具进行表面改性，也可以 用来修复成形模具的表面。然而工业生产中想要大规模地实际应用还存在一些问题，原 因是激光熔覆过程中材料的快速的熔化与凝固受到周围基体组织的约束，往往会有残余 应力不能得到及时的释放，产生应力集中而容易产生裂纹。但由于其自身具有熔覆组织 细小、结构紧密、质量稳定、同时对基材热影响小、引起的变形小、无需接触处理、能 够精确控制、易实现自动化和柔性加工、节约贵金属资源等独特的优点仍不失为最具前 景的激光表面处理技术之一【j 。 ( 5 ) 激光非晶化 激光非晶化( 1 a s e ra m o r p h i z a t i o n ) 又被称为激光上釉( 1 a s e rg l a z i n g ) ，利用高功率密 度的激光束快速加热材料表面，使材料表面熔化的同时借助材料自身基体的热传导快速 冷却凝固，因冷却速度超过金属材料的临界冷速而直接得到非晶态的技术【1 7 j 。 ( 6 ) 激光冲击强化 激光冲击强化( l a s e rs h o c k i n gp e e n i n g 简称l s p ) 又被称为激光喷丸是利用功率 密度为g w c r n _ 量级、脉宽为n s 量级的强激光束产生的高温高密度等离子体爆炸所 形成的冲击波作用于表面，由于预先放置的涂层( 一般为黑漆和铝箔) 和约束层( 常用 流动的水) 增强了吸收激光的能量，强大地冲击应力波使材料表面发生塑性变形，激光 作用结束后由于周围金属材料的反作用而产生的较高的残余压应力，抑制或延缓裂纹的 萌生和蔓延以改善金属材料的抗疲劳寿命、耐磨损性能和耐腐蚀性能的一项新技术【l 崴 1 9 】。由于激光冲击强化技术是非接触式的强化技术，同时又不会产生热影响区，具有控 制精确、强化效果明显、表面光洁度较好等优点，在工业生产特别是航天航空领域得到 广泛的应用。 ( 7 ) 激光气相沉积 激光气相沉积( 1 a s e rv a p o rd e p o s i t i o n ) 的原理是利用激光辐照在块状材料( 靶材) 表面含有欲沉积元素的物质，使其气化为原子状态，紧接着气态原子以一定的沉积速度 第一章绪论 沉积到基材表面形成数微米到数十微米的沉积层薄膜的工艺。根据机理又可分为激光化 学气相沉积( 1 a s e rc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 和激光物理气相沉积( 1 a s e rp h y s i c sv a p o r d e p o s i t i o n ) 2 0 o 激光化学气相沉积是利用激光辐照放置在真空室内基体的表面，同时通 入气体原料，使被照射的气体分子受热发生分解，形成自由状态的气体原子与基体表面 附近的气体分子发生反应沉积形成薄膜的过程【2 1 ，2 2 1 。激光物理气相沉积的机理是采用物 理的方法将材料源加热蒸发为原子、分子或者将其电离成离子，并通过低压气体在工件 表面形成薄膜的过程。与激光化学气相沉积相比，激光物理气相沉积需要在高真空的条 件下进行，由于具有处理温度低、对环境无污染等原因而受到人们的青喇2 3 1 。 1 3 激光表面淬火技术概述 1 3 1 激光表面淬火技术机理 激光表面淬火( l a s e rs u r f a c eh a r d e n i n g ) 也称激光相变硬化，是利用激光束极高的 功率密度，在极短的时间内( 1 0 七s 1 0 。2 s ) ，使金属表面被激光照射的区域迅速升温( 可 达1 0 5 1 0 6 ) 达到奥氏体转变临界温度( a c 3 或a c l ) 以上同时控制在熔点以下形 成奥氏体，当激光停止照射后，金属表面的高温区域与自身的冷基体之间的热交换导致 表面迅速冷却( 可达2 1 0 2 1 0 5 ) ，使表面金属发生马氏体转变的过程【2 引。 一般而言，当激光对金属表面进行热处理时，由于材料的升温与降温速度十分迅速， 形成很大的相变驱动力，使得奥氏体的形核数增多，极短的相变时间又使得临界的形核 半径很小，这样一来，奥氏体既可以在原晶界和亚晶界处形核，也可以在相界面或者是 其他晶体缺陷处形核，同时细小的奥氏体晶粒来不及长大便发生固态相变形成了细小的 马氏体组织【2 5 1 。与常规热处理形成的马氏体相比，激光表面淬火形成马氏体的位错密度 极高。同时，这个快速的转变过程使得金属元素中的各个元素的扩散和迁移十分不均匀， 造成淬火过程所形成的组织碳元素和合金元素的分布不均匀，由于成分的不均匀使碳原 子来不及扩散，随着奥氏体向马氏体的转变，得到了高碳的马氏体和高固溶度的碳以及 残余奥氏体，因此形成的细小马氏体组织的含碳量会比较高，从而大大提高了材料的表 面硬度。因此，组织超细化、高含碳量的马氏体、极高的位错密度以及高碳固溶度的残 余奥氏体是材料获得比常规淬火高1 5 2 0 表面硬度、更好的耐磨性以及更高的疲劳 性的主要原斟2 6 ，2 7 1 。 由图1 1 可以看出，激光表面淬火后由表面到零件内部可以分为三个区，依次为相 变硬化区、过渡区( 即热影响区) 和基体组织。 第一章绪论 _ ，藏薹溺黼黼黼黼黼黼黼戮黼黼醚麟懿翟i 臣一j 一 j 。鬻季溺溺溺鬻黟爹。 誊 警、 - - - 1 - 1 叫 图1 1 工件组织区域示意图 f i g1 1r e g i o n a lo r g a n i z a t i o nd i a g r a mo ft h ew o r k p i e c e 第一区为相变硬化区。激光束加工零件表面时，由于高功率密度的激光照射到金属 表面，导致金属表面的温度迅速上升，当加热的温度超过金属材料的奥氏体转变临界温 度( 即a t 3 或a c l ) 时，加热区原有的珠光体组织会转变为奥氏体组织，同时金属里的 碳和合金元素也会发生不均匀的扩散和迁移。在激光移开照射区域后，由于存在较大的 过冷度，会促使金属表面迅速降温，过热的奥氏体组织会转变为高碳马氏体、低碳马氏 体和残余的奥氏体组织，并且由于奥氏体的均匀化程度和晶粒长大的程度的不同，淬火 后所形成的马氏体的组织形态也不同，从表面往里依次为粗针状马氏体、细针状马氏体 和隐晶马氏体【z 引。 第二区为过渡区。此区域的加热温度在a c 3 a c l 之间，加之温度梯度很小，原子 的扩散与迁移不太显著，晶粒较为粗大，奥氏体化不充分，因此，通常这一区域为不完 全硬化区，高温时的组织为奥氏体和铁素体，淬火后组织转变为隐晶马氏体、铁素体和 残留的碳化物，并且铁素体的含量由外向内逐渐降低，造成硬度逐渐下降2 9 1 。 第三区为基体区。在这个区域内由于加热的温度低，没有达到a c l ，原子几乎没有 发生迁移和扩散，因此没有发生相变，激光热处理后的组织仍为基体本身的原始组织。 如果工件试样的最终热处理状态是调质，则该区域的组织为回火索氏体；如果工件试样 的最终热处理状态是正火态，则该区域的组织为索氏体和铁素体；如果工件试样的最