激光相变硬化的分析与讨论 - 图文(2)

光斑类型 线状光斑A 方形光斑B 矩形光斑C 聚焦光斑D 光斑尺寸 2b=20mm 2l=1mm 2b=20mm 2l=20mm b=20mm l=2mm D=5mm 图5 四种光斑图形及参数 5 激光相变硬化的发展概况 5.1 激光相变硬化光束的优化

目前激光表面强化所用静态光束光斑可分为图5所示的4种典型光斑，其中A型光斑为线光斑，B型代表组合积分镜产生的大方光斑，C型光斑代表积分镜产生的小矩形光斑，D型光斑近似表示聚焦法产生的离焦光斑。上述光斑尺寸与实际略有不同，除D型光板外，一般尺寸固定，不易调整。

目前我国生产的激光器功率均在万瓦以下，用于激光表面强化的CO2激光器多为2-5KW，适合使用产生线状光斑A，小矩形光斑C或聚焦光斑D的光束成型装置，其中聚焦透镜和反射聚焦镜是产生聚焦光斑的装置，其特点是容易调节、使用方便灵活，缺点是光斑内光强不均匀，离焦量越大光强不均匀越严重，并且单道处理加工效率低，也不能满足某些工件宽带处理的需要。国产小矩形组合积分镜以用于生产，与聚焦光斑相比，光强均匀性、加工效率均有较大的提高，能实现10mm左右的宽带处理，但也存在不足，如光斑内光强不够均匀，抗较高功率（3KW以上）激光破坏能力较低。

通常在激光热处理时作用光束在材料表面形成截面为方形或矩形的均匀光斑是理想的，其淬火带截面形状如图6所示。从准确控制激光作用区域的观点而言，具有整齐边界的光束无疑是一种较好的光束，但是实际应用中，如期望获得一个均匀的淬火带，事实上需要的是在作用光斑边沿有能量突起的光束。

1）激光宽带扫描转镜

目前适用于高功率激光和金属材料大面积表面强化的激光宽带扫描转镜已在许多工厂、学校和科研单位得到应用，是主要的实现激光光斑的光束优化装置，其工作原理如图7所示。

激光光束1入射到抛物聚焦镜组2，聚焦反射到反射镜3，经转镜4反射到工件的所在的x’o’y’坐标平面上形成聚焦点光斑，转镜为多面正棱台镜，聚焦点光斑在x’o’y’坐标平面上完成一次扫描。工件与扫描线光斑在y’轴方向按工艺要求的速度作相对运动，配合相应工艺措施，实现激光宽度表面强化处理（激

图7 激光扫描转镜工作原理图 图8 激光转镜扫描线图 图6 淬火带截面形状示意图 光淬火、熔凝、熔覆、合金化等）。因线光斑有一定宽度（1mm左右），工作中扫描线光斑扫过工件表面任一位置需要一定时间，相当于在同一位置重复若干次扫描（50-500次，对应工件运动速度20mm/s与2mm/s之间）。

激光转镜扫描光斑形状（图8）与图3中A型光斑相近， 激光转镜扫描光斑在扫描方向的能量密度是均匀的。但转镜宽带激光加热过程是不连续

图9 Spawr公司的积分镜示意图 的，在预覆合金粉末激光熔覆时由于热惯性作用可以获得近似连续的熔覆过程，但是当采用同步送粉方式进行熔覆时，由于激光斑点与运动的粉末作用的不连续性，粉末的利用率低，且振镜和转镜结构复杂，使用不方便。另外，依靠合金粉末自重落点可控性差．难以获得高质量的熔覆层。

2）积分镜

美国、德国等工业化国家已有10~30 kW 高功率激光器，多半采用20 mm×20 mm方形光斑方案，光束变换器件为组合镜、积分镜或机械电磁振镜。组合镜又称积分镜，是用小的方形或矩形钼镜片，镶嵌在凹球面镜上。在平行光的作用下，每块小镜片都向焦点处反射一束矩形光束，互相叠加而成近似均匀的矩形光斑。美国Spawr光学研究公司生产的组合镜如图9，由32片组成，每片12.7×12.7mm， 装在一个直径为101.6mm的球面镜上，球面镜焦距为635mm。光斑只能在一个平面上相重叠。如果照射到的小镜片数为N，则均匀度取决于1/N。典型使用情况为照射25块，均匀度约为土4%，实际上约为土10%。

在特殊情况下也可达土1%。但小镜片的边缘要产生衍射和干涉，会影响到光斑的均匀度。用组合镜可以调节光斑尺寸，在入射光略为收敛时，可以得到较小的光斑。在入射光呈发散时则可在更远处得到较大的光斑。国内上海光机所也研制了组合镜，已在国内得到应用。

3）带式积分镜

带式积分镜的设计原理是在与球面或非球面（如抛物面、椭圆面、双曲面等）反射聚焦镜的回转方向相垂直的方向上采用多带反射斜面代替曲面。这样，经反射后，矩形焦斑的一个边的长度由反射斜面的长度决定，另一个边的长度由离焦得到。

图10为抛物面形带式积分镜光路设计原理图【40】。抛物面与入射激光束呈45°夹角，在抛物面中心点O，入射激光束与出射激光束的夹角为90°，而抛物面的焦点在F处，焦距为f，则F点的坐标为F（F/2，0）。采用直线段替代抛物面弧线后，各直线段分别将激光束反射到抛物面聚焦焦点处形成长度为a的线段CD，也就是所设计的矩形焦斑的长边。直线段AB与抛物线相外切，由于切点O’在抛物线上，经该点的光线将被反射到焦点上，而焦点在线段CD的中心，根据反射原理，切点O’又是直线段AB的中心。

图10 带式积分镜（聚焦反射）设计原理图 图11 带式积分镜（聚焦反射）设计原理图 根据以上原理所设计的带式积分镜及其变换效果如图11所示。可以看出，在焦点附近，经带式积分镜变换后，可以将圆形光束变换为矩形分布，矩形内光束强度分布较均匀。这将促进激光热处理、淬火处理时厚度的均匀性，处理后的边界清晰，可以避免被处理表面存在显著的过渡区，减小重叠部分的回火区。对激光熔敷可提高熔敷层的均匀性，提高粉末的利用率；对激光喷涂和喷粉焊接，也可提高粉末的利用率，提高喷涂和焊接的质量。 5.2 激光淬火快速摆动法

快速摆动光束是用快速摆动的方法，将点热源拉宽成为线热源，并配合工件在与摆动方向相垂直的方向内的移动，而得到一个宽的均匀的硬化带，如图12所示。摆动频率不能太低，否则一个点上的温度波动太大，甚至会达到熔化而使表面受到破坏。快速摆动有以下三种方法： 1）机械振镜

用机械方法使反射镜振动。受惯性影响，振动频率不可能很高。在光束摆到尽头折返时有速度为零的一瞬，因而宽带两侧受热较多。 2）电磁振镜

用电磁方法使反射镜摆动，在美国使用较多，常用两个振镜分别在x，y方向摆动，而得到矩形光斑。频率690Hz。

3）光学转镜

宽带激光淬火或熔覆的光学转镜，用聚焦的收敛光束经转轴倾斜45°的多面反射镜反射后形成扇形光束，调节与工件的距离便可调节淬火的宽度。由于光学转镜是靠反射而得到光束的摆动，光束没有惯性，可以达到很高的摆动频率。 5.3 激光相变硬化的强化机理和组织

激光快凝具有高温度梯度、高凝固速度、高冷却速度等独特加工条件。微结构形成过程不同与常规。例如，高凝固速度会造成液固转变时原子迁移的显著动力学效应，直接结果是凝固相不确定即存在相选择问题。另一重要问题则涉及到晶粒形成过程。

在常规凝固加工时，不存在熔池壁，优先晶粒形态为等轴晶。此时，单位体积的晶粒数N与形核率I,长大速度V之间关系为: N=0.9(I/V)3/4。一般来说，提高冷速可同时增加I和V，但I的增加幅度更大，故晶粒随冷却速度加快而细化。

但在激光重熔时，界面处初生相无需形核，晶粒的优先形态为外延柱状晶。在激光合金化和熔覆时，如果新核心也是依靠熔池壁而形核，那么优先形态也为柱状晶。这两种柱状晶可通称为界面生长柱状晶。熔池中晶粒形成过程就是非界面生长晶粒与界面生长柱状晶的竞争过程。如果温度梯度G满足：

G?0.617N01/33?(?TN)?1?3(?Tc)????Tc ?时，出现非界面生长晶粒，晶粒细化，否则为界面生长柱状晶，晶粒不细化。式中N0为单位体积内的异质核心数，△TN为临界形核过冷度，△Tc为界面前沿过冷度，其值为(VC0/A)， C0为合金含量, A为常数。显然晶粒是否细化与形核剂数量、形核过冷度、凝固速度、合金浓度相关，而不是仅取决于冷却速度。

从上式可以看出，激光快凝存在很多不利于晶粒细化的条件。首先，高冷速往往伴随着高温度梯度，而高温度梯度促使界面生长柱状晶的形成；其次，高温度梯度意味着熔池的高度过热，而过热会使形核剂数量减少，这也会促使界面生长柱状晶的形成。如图11所示。通常所说的激光快凝组织细化是指晶粒亚组织细化而非晶粒细化，二者不能混谈。在晶粒没有细化的情况下，亚组织细化在提高强韧性方面发挥重要作用。

蒲万林【22】对七种碳素钢激光淬火组织性能进行了研究，通过对10#钢、20#钢、35#钢、45#钢, 60钢、T2钢和T8A钢淬火区的全面组织分析，认为碳素钢激光淬火的组织变化存在以下规律：

（1）淬火组织为马氏体；

（2）原珠光体转换为奥氏体，铁素体部分

图12 用快速摆动光束进行表面激光淬火示意#

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转变为奥氏体，在冷却过程中奥氏体转变为马氏体；

（3）共析钢位于AC3以上区域的奥氏体均匀化较好，AC3附近奥氏体成份均匀化不够，处于ACl~AC3

区域内基本上只有珠光体转变奥氏体，但奥氏化不充分，共析钢奥氏体均匀化比较充分；

（4）当含碳量小于0.3%时，只有当晶粒度小于7级时，才能获得理想的淬火效果5mm。 5.4 激光相变硬化的复合工艺

激光热处理和常规热处理相结合。长春光机学院【24】对18Cr2Ni4WA钢先进行渗碳处理，使碳呈现梯度分布，然后进行激光相变处理。在复合处理作用下，硬化层分成三个区:第一区为表层完全淬硬区，其最表面为针状马氏体十渗碳体十残留奥氏体，次表面为针状马氏体+板条马氏体+残留奥氏体；第二层为过渡层，由马氏体+回火析出

图12 激光焊接柱状晶形态（熔合线部位） 碳化物组成；第三区为高温回火区，由回火索氏体组成。

英国的LTRI研究所开发了激光淬硬技术和其它材料处理技术的多种不同的组合方式，如:激光塑性变形淬理、激光超声淬硬、在液氮中进行激光淬硬等：

（1）激光塑性变形淬硬（LPDH）结合两种工艺于一体一激光淬硬和热塑变形淬硬。此类结合优点如下:第一，可获得带有特殊结构的激光淬硬层;第二，可获得有利于提高疲劳强度和抗磨损性能的可确保的综合应力。材料的塑性变形是在表面激光照射过程中由滚轴引起的。从对该工艺进行的研究和对获得结果的分析中得出以下两点结论:1）LPDH是一种在提高机床部件疲劳强度和耐磨损性方面很有前景的方法；2）与激光淬硬相比，LPDH的显微硬度要高1500MPa，其淬硬层深度要深100-200μm。

（2）激光超声淬硬（LUSH）将激光照射与在超声频率下的振动塑性变形结合起来。这种结合可使显微硬度提高3000~4000MPa，其表面形貌也因此类处理得以改善。

（3）在液氮中进行激光液硬（LHLN）。在该工艺中，由于较大的温度梯度可改善照射区的热交换， 并可产生使氮能更好地渗透到基体材料中的条件，使被处理材料的显微硬度显著提高，如表1所示。 5.5 新型激光吸收涂料

表1列出钢的各种表面吸收层对CO2激光的反射率的典型值，由表可知，单纯用机械的方法将表面打毛，效果不是十分理想。

表1 钢的各种表面吸收层对CO2激光的反射率的典型值【20】 砂纸打磨

表面层

（1μm）

反射率（%）

92．7

（19μm） 31．8

（50μm） 21．8

10．5

22．7

10．0

2~3

23

喷砂

喷砂

氧化

石墨

二硫化钼

高温油漆

磷化处理

近年来，美国多采用一种牌号为Krylon 1602的黑漆作为涂层材料，其主要成分为石墨粉和硅酸钠或硅酸钾。国内上海光机所研制的86－Ⅰ型黑漆已有产品供应，但激光热处理后的剩余涂层不易清除。

1982年，上海光机所苏宝嫆等【21】实验发现氧化锆涂层的吸收率可达84.3%~90.1%。1983年，日本日立公司的Masanisa Inagaki等【23】实验了几种氧化物，认为云母粉和石墨粉的效果最好。

一般而言，喷（刷）涂料法中采用的涂料一般由骨料、粘合剂、稀释剂组成，某些涂料还加有少量添加剂。已报道的可用作骨料的材料有石墨、碳黑、活性碳、碳酸锰、磷酸锌、刚玉粉、SiO2粉、磷酸锰铁、磷酸镁、Al2O3粉、Fe2S3及一些金属氧化物。现有的关于涂料研究方面的报道，多集中在对涂料应用性能方面的研究，而从材料的光谱特性出发对涂料进行研究则尚未见有公开报道。滑石粉（其主要成分为含水硅酸镁）是一种较为理想的骨料，配以合适的粘合剂（白乳胶）和稀释剂，可制成新型廉价CO2激光热处理涂料。对于波长10.6μm的CO2激光，SiO2的吸收率相对于滑石粉和碳黑来说是较低的，因此SiO2不适于单独做涂料的骨料。

1991年刘文今等【41】研制了一种以SiO2为骨料的可喷涂涂料，选用200~300目的精制石英粉，认为除对激光有很高的吸收率以外，在激光照射下能形成液态均匀覆盖于金属表面，冷却时结成固态薄膜，由于与金属的热膨胀系数的差异而能自行脱落，有利于使激光淬火前后金属表面粗糙度变化最小。在铸铁上曾测得粗糙度仅从0.18μm增至0.26μm。并选定醇基酚醛树脂为粘结剂，乙醇为溶剂，并选用少量稀

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