激光相變硬化處理的研究進(jìn)展

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1、http://www.paper.edu.cn激光相變硬化處理的研究進(jìn)展李林賀陳芙蓉郭桂芳內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（010062）E-mail:lilinhe2003@eyou.com摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了激光相變硬化技術(shù)及其特點(diǎn),論述了金屬材料激光相變硬化的機(jī)理,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外激光相變硬化技術(shù)的研究進(jìn)展，并就此做出了展望。關(guān)鍵詞：激光；相變硬化；研究進(jìn)展1.前言激光相變硬化是在快速加熱和快速冷卻下完成的一種表面處理技術(shù)，因而其硬化層組織較細(xì)，硬度亦高于常規(guī)淬火的硬度。而且激光加工時(shí)，熱處理區(qū)域小，淬火應(yīng)力及變形小，

2、還可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件和不能用其他常規(guī)方法處理的零件進(jìn)行局部硬[i]化處理。因此，在生產(chǎn)工藝上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。美國(guó)通用汽車公司于20世紀(jì)70年代初率先將該項(xiàng)技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)，80年代已有17臺(tái)激光表面相變處理設(shè)備形成的生產(chǎn)線，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)從20世紀(jì)70年代末千瓦級(jí)ＣＯ2激光器研制成功，90年代已建有五條激光處理生產(chǎn)線，經(jīng)歷了30多年的應(yīng)用歷史。激光表面淬火技術(shù)正以其具有的獨(dú)特優(yōu)越性，日益受到人們的廣泛重視，已經(jīng)在航空、航天、交通運(yùn)輸、石油、冶金、機(jī)械制造等許多領(lǐng)域得到[2]應(yīng)用。[3]2.激光相變硬化及

3、其特點(diǎn)激光相變硬化也稱激光淬火是以高能量密度的激光束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金表面溫度以極快速度升到高于相變點(diǎn)而低于熔化溫度。當(dāng)激光束離開被照射部位時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，處于冷態(tài)的基體使其迅速冷卻而進(jìn)行自冷淬火，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的表面相變硬化。2.1激光相變硬化優(yōu)點(diǎn)1）加熱和冷卻時(shí)間短，生產(chǎn)率高，成本低。2）僅對(duì)表面局部進(jìn)行淬火，因此硬化層可精密控制，工件變形小，表面光潔度高，故可做最后工序；3）淬硬層組織細(xì)化硬度比常規(guī)高15%~20%，耐磨性得到提高。4）可實(shí)現(xiàn)自冷淬火，不需介質(zhì)。5）對(duì)工件的特殊部位均可加工，加工

4、范圍廣。1http://www.paper.edu.cn6）工藝過程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。2.2激光相變硬化缺點(diǎn)1）硬化層深度受限制，一般在1mm以下。2）金屬表面對(duì)波長(zhǎng)10.6μm激光反射嚴(yán)重，一般90%的激光被反射，為了提高材料對(duì)激光的吸收，需作表面處理。[4]3.激光相變硬化機(jī)理當(dāng)激光束快速掃描金屬材料表面時(shí)，材料表面極薄的一層瞬間吸收一部分光能，激光輻照區(qū)表層溫度以極快的速度升到奧氏體化溫度以上、熔點(diǎn)以下，使仍處于冷態(tài)的基體與被加熱薄層之間的溫度梯度高達(dá)103～104℃/cm。當(dāng)激光作用停止后，由于作為良導(dǎo)體的金屬基體的

5、熱傳導(dǎo)作用，激光作用區(qū)溫度迅速下降，進(jìn)行自冷淬火，使得表面至內(nèi)部各層的溫度均有所不同。因此，激光淬火后材料表層存在三層組織結(jié)構(gòu)：第一層為相變硬化層。由于高功率激光輻照，材料表面溫度最高，升溫最快，作用時(shí)間相對(duì)最長(zhǎng)，組織轉(zhuǎn)變是在極大的過熱度和過冷度的非平衡狀態(tài)下進(jìn)行的。原有的珠光體類組織通過切變模式轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織,隨后各種合金元素存在擴(kuò)散和遷移現(xiàn)象，使得奧氏體中的合金元素分布很不均勻，導(dǎo)致其各部分的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度有很大的差異，冷卻后形成高碳馬氏體、低碳馬氏體和殘余奧氏體。同時(shí)，晶粒的形核率大大提高，致使硬化層組織非常細(xì)小

6、均勻，位錯(cuò)密度較高，呈微細(xì)隱針狀。該層表層組織結(jié)構(gòu)為奧氏體急冷后形成的高碳馬氏體和殘留奧氏體，次層組織為加熱時(shí)的奧氏體和未熔相急冷后形成的馬氏體和鐵素體或馬氏體和碳化物。第二層為過渡層。該層處于強(qiáng)化層邊沿，這主要是由于其加熱溫度在AC1～AC3之間，溫度梯度相對(duì)較小，作用時(shí)間較短，原子的擴(kuò)散和遷移更不明顯，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變和碳化物的溶解都不充分，即相變不充分，晶粒較粗大，未達(dá)到完全奧氏體化。故過渡層組織結(jié)構(gòu)為馬氏體和未轉(zhuǎn)變的原始組織，殘留有彌散分布的顆粒狀碳化物。第三層為基體層。該層溫度較低，未達(dá)到相變溫度，原子幾乎沒

7、有進(jìn)行擴(kuò)散和遷移，在激光強(qiáng)化過程中組織未發(fā)生變化，保持原有的組織結(jié)構(gòu)，仍為回火屈氏體。激光相變硬化過程是在高度受扼的形態(tài)下進(jìn)行的，所獲得的馬氏體實(shí)質(zhì)上是一種形變馬氏體，比常規(guī)淬火所得的馬氏體具有更高的缺陷密度，晶粒更加細(xì)化，同時(shí)由于冷卻速度極快，碳原子來不及擴(kuò)散，使得馬氏體含碳量極高，而且殘余奧氏體也獲2http://www.paper.edu.cn得了極高的位錯(cuò)密度，從而大大提高材料硬度。材料經(jīng)激光淬火后的硬度比常規(guī)淬火提高15%～20%，相應(yīng)地材料的耐磨性也得到提高。激光超快速加熱過程中，金屬材料的過熱度很大,造成相

8、變驅(qū)動(dòng)力很大，奧氏體相變?cè)谶^熱度很大的高溫區(qū)以很短的時(shí)間完成，其相變晶核的臨界半徑極小，奧氏體的成核率極高,其形核數(shù)目劇增，結(jié)果必然獲得超細(xì)晶粒。超細(xì)化的奧氏體在馬氏體相變時(shí)必然轉(zhuǎn)變成超細(xì)化的馬氏體組織，使得過渡層中的馬氏體組織和碳化物顆粒也得到細(xì)化。從而既提高金屬材料的強(qiáng)度，又改善了其韌性。4.國(guó)內(nèi)外激光相變硬化研