激光表面熔凝处理

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1、激光淬火技术的应用秦可涵2011年4月【摘要】激光淬火，也称激光热处理、激光硬化，即利用聚焦后的激光束快速加热金属材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的一种高新技术，分为激光相变硬化、激光熔凝硬化和激光冲击硬化三种工艺方法。【关键词】适合材质，淬火硬度，淬火深度【正文】激光淬火技术及应用激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加

2、热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3~2.0mm范围之间。对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上,由于基材内部导热冷却而使熔

3、化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，华中科技大学配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。激光熔凝技术的应用【摘要】：激光表面熔凝处理是一项全新的材料表面改性技术，越来越受到了人们的广泛关注。由于铸造铝硅合金具有铸造性能好、热膨胀系数小、热稳定性高等特点，它在工业上得到了广

4、泛应用。共晶ZL108合金是目前国内广泛使用的活塞材料。【关键词】：激光表面熔凝处理工艺参数微观组织显微硬度疲劳裂纹扩展【正文】过共晶铝硅合金因具有更为优越的耐磨性和高硬度而受到重视，正在成为一种制造发动机活塞的新的理想材料。本文作者通过对共晶和Al-20％Si过共晶铝硅铸造合金进行激光表面熔凝处理，研究了该表面改性技术对这两种合金的表层组织及疲劳裂纹扩展行为的影响。主要进行了以下几个方面的研究工作。选取输出功率、扫描速度和离焦量作为激光表面熔凝处理的工艺参数，通过采用不同的工艺参数对共晶ZL108合金和Al-20％Si过共晶铝硅合金进行激光表面熔凝处理，探讨了三个因素对两种合金显微组织

5、的影响规律。结果表明，在输出功率和离焦量一定的情况下，对于ZL108合金，当扫描速度不断增大时，熔池的深度先是慢慢增加，而后减小；对于Al-20％Si过共晶合金，随扫描速度的增加，熔池的深度逐渐变小。保持扫描速度和离焦量不变，熔池的深度随激光功率的增大呈现出增加的趋势。在相同的输出功率和扫描速度条件下，随着离焦量的增加，熔凝层的深度逐渐减小。通过对激光表面熔凝处理后合金熔凝层组织的观察分析，发现熔凝层主要由三个具有不同组织特征的区域组成，由表及里分别为：表层熔凝区、过渡区、和基体区。无论哪种合金，在表层熔凝区内，粗大的块状初晶硅被消除，同时共晶硅和α(Al)也得到明显细化；在过渡区，枝晶

6、的生长方向基本上垂直于熔凝层与基体的交界面，有十分明显的方向性，而且α(Al)枝晶的一次臂很长，二次臂很短。对于Al-20％Si过共晶合金，部分熔化的初晶硅对α(Al)枝晶的生长具有阻碍作用。在熔凝过程中，液态金属中存在的过饱和气体使得熔凝层的亚表面产生了少量气孔。对熔凝层的硬度进行测量分析，结果表明，工艺参数对熔凝层的硬度有一定影响，随扫描速度的增加，样品的硬度逐渐变小。在扫描速度和离焦量不变时，硬度值随着功率的增加呈现减小的趋势。在相同的输出功率和扫描速度条件下，随着离焦量的增加，硬度值的提高也呈现减小的趋势。熔凝层组织的细化和过饱和固溶度的增大等因素导致了硬度的提高。对比研究了激光

7、表面熔凝处理前后两种合金的疲劳裂纹扩展行为，结果显示，无论应力比R为0.1还是0.5，在相同的名义应力强度因子范围作用下，经激光表面熔凝处理的合金样品，其疲劳裂纹扩展速率明显低于未经处理的样品，而且随着疲劳裂纹扩展速率的加快，二者的差别减小，最终趋于一致。脆性硅相的细化、快速凝固时造成的应力场和过饱和度增加引起的晶格畸变等因素可能是合金疲劳裂纹扩展性能提高的原因。对激光表面熔凝处理前后两种合金的断裂韧性进行了测试，结果显示，激光表面