論文導讀：激光熱處理工藝參數主要是指激光器輸出功率P，光斑直徑d（兩者決定了功率密度）和掃描速度V（決定了激光與工件的作用時間），它們直接影響硬化層的寬度、深度、硬度、組織以及機械性能。試驗研究表明，如果不對激光淬火提出過高的要求，利用連續輸出功率在千瓦級的二氧化碳激光設備，對鐵基材料表面進行熱處理并不困難。
關鍵詞：鐵基，粉末冶金，激光，表面強化

　　1.激光表面強化工藝參數的確定
　　激光熱處理工藝參數主要是指激光器輸出功率P，光斑直徑d（兩者決定了功率密度）和掃描速度V（決定了激光與工件的作用時間），它們直接影響硬化層的寬度、深度、硬度、組織以及機械性能。
　　1.1激光功率
　　當光斑直徑和掃描速度一定時，工件表面的最大加熱時間是恒定的。隨著激光器輸出功率的增加，硬化層寬度和深度增加。這是因為當激光器輸出功率增大時，光斑的平均功率密度增加，金屬表面吸收的能量增加，使得表面溫度進一步提高，經過金屬基體的快速熱傳遞，金屬表面下處于相變溫度Ac1 以上的區域亦增大，從而導致硬化層深度和寬度增加。
　　1.2掃描速度
　　掃描速度是工件與激光束相對運動速度，它反映了金屬表面被加熱的時間。當其它條件一定時，隨著掃描速度的增大，硬化層深度和寬度減小。這是因為掃描速度高，加熱時間減小，金屬表面層吸收的能量降低，導致硬化層深度和寬度減小。
　　降低掃描速度，以延長加熱時間可使硬化層深度和硬度提高。試驗結果表明：如果激光器輸出功率不足，即使延長加熱時間，金屬硬化效果也并不好，反而加寬了熱影響區。
　　若掃描速度太慢，使得熱量向光束移動方向的反向傳導，致使冷卻速度太慢，使表面出現熔融和回火現象，使硬度降低；若掃描速度太快，由于照射時間太短，輸入的能量不足，使得照射區內溫度達不到完全淬火溫度，從而使得表面硬度降低。
　　激光輸出功率和掃描速度對硬化層深度的影響幾乎為線性關系。隨著激光輸出功率的增大和掃描速度的降低，硬化層深度增加。激光功率增加意味著單位時間內的能量增加，則試件吸收的總能量增加，在試件內溫度場中超過臨界轉變溫度的范圍擴大，即發生馬氏體轉變的區域增加，故硬化層的深度增加。掃描速度的降低，意味著熱作用時間的延長。在其它條件不變時，總能量也是增加的，因此降低激光掃描速度和增加激光輸出功率效果是一致的。綜上所述，激光相變硬化層的深度取決于激光加熱時的溫度場。而材料達到給定溫度的深度主要依賴于能量密度。激光相變硬化層層深與激光能量密度之間存在良好的線性關系。
　　 還可知激光功率和掃描速度不同，顯微硬度的分布也不同。激光功率為3200W，掃描速度為8mm/s 時的表面硬度最高，約828HV。隨著激光功率增加和掃描速度降低，材料的表面加熱溫度提高，在激光的快速加熱和隨后的快速冷卻過程中，奧氏體晶粒得到了進一步的細化，馬氏體中的固溶含碳量和合金元素含量增加，碳和合金元素的大量溶入也造成了靜畸變強化，從而增大了表面顯微硬度。激光輸出功率過高或掃描速度過低時，樣品中的蓄熱量增大，造成冷卻速度緩慢，無法達到自激淬火的臨界冷卻速度，淬不成馬氏體，使硬度值降低。
　　試驗研究表明，如果不對激光淬火提出過高的要求，利用連續輸出功率在千瓦級的二氧化碳激光設備，對鐵基材料表面進行熱處理并不困難。然而不同激光設備之間的工藝移植并非易事。工業生產中，維護激光處理工藝的可重復性是保證產品質量的需要。但是，激光淬火同其他傳統的熱處理相比，它具有可以精確控制熱處理區域及工件變形小等一系列優點。只要能夠較好的控制激光淬火工藝過程，原則上可以使用價格便宜、易于加工的材料制造工件的基體，在工件的關鍵部位用激光進行處理，便能顯著提高產品的質量，簡化工件的生產工藝，降低工件的生產成本，增強激光淬火對其它傳統熱處理工藝的競爭能力。
　　2.激光表面淬火鐵基粉末冶金材料的硬度分布
　　各種成分的鐵基粉末冶金材料經過寬帶激光表面淬火后顯微硬度有了顯著的提高。鐵基粉末冶金材料的顯微硬度從淬火前到淬火后提高近3倍，合金元素Cr含量的增加使得硬化層深度略有增加，因為Cr 能提高鋼的淬透性。從表層到心部，隨著與表面距離的增加，顯微硬度也呈現出層狀分布并呈逐漸降低趨勢直至基體。在此我們還可大概將其分為三層：第一層為完全淬硬層，顯微硬度約為HV0.3623-669，厚度約為1.0-1.2mm。在這一層中顯微硬度變化幅度不大，基本上曲線比較平坦，這同其他淬火方式相同，所不同的是激光淬火最高顯微硬度一般在次表層；第二層為過渡區，厚度約為0.3mm，顯微硬度約為HV0.3400-650；第三層為基體，顯微硬度約為HV0.3250-320。
　　3.激光淬火表面強化的機理
　　激光表面處理具有加熱速度快、熱效率高，加熱范圍及熱變形小的特點，不致引起開裂缺陷。寬帶激光束與聚集光束比較，具有一次掃描處理區域大、硬化層更為均勻的優點，具有廣闊的工業應用前景。論文發表。
　　激光硬化時，激光與材料的相互作用可根據激光輻照作用的強度和持續時間分為幾個階段：把激光輻照引向材料；吸收激光能量并把光能傳給材料；光能轉變為熱能，加熱材料達到快速加熱、快速冷卻、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破壞；材料在激光輻照后的相變或融化凝固或沖擊產生晶格畸變及位錯，最終達到硬化效果。論文發表。
　　從物理冶金角度，激光相變硬化與常規熱處理并無兩樣，只不過是前者為局部的急熱急冷過程。由于加熱時間短，加熱溫度高，當激光束被切斷或移開后，材料表面冷速很快，熱影響區域小，硬化層較淺，一般只有0.3-2.0mm。這對于要求變形小，形狀復雜和要求局部處理的零件來說較為合適。由于加熱速度快，加熱時間短，因此其相變硬化也具有自己的特點：激光熱處理加熱速度比其他淬火方法更快，使材料表面迅速達到奧氏體化溫度，使得擴散均勻化來不及進行，原有材料中珠光體組織通過無擴散轉化為奧氏體組織。在隨后通過自身熱傳遞而快速冷卻，奧氏體組織通過無擴散過程轉化為馬氏體。由于是快速冷卻，使Ms 線升高，使得我們試驗中得到的馬氏體組織含量較常規熱處理的多，不同的微觀區域內馬氏體形成溫度有很大的差異，這也導致了細小馬氏體組織的形成，同時組織細化，這是由于激光超快速加熱條件下，過熱度大，造成相變驅動力大，奧氏體形核數目劇增，它既可以在原晶界和亞晶界上形核，也可以在相界面和其它晶體缺陷處成核。而在快速加熱的瞬間奧氏體化使晶粒來不及長大。在馬氏體轉變時，必然轉變為細小的馬氏體組織。論文發表。研究表明，激光相變硬化處理后可獲得直徑為2μm 的超細晶粒。激光處理加熱速度快，易使金屬表面過熱，隨后冷速亦快，殘留奧氏體量增加，碳來不及擴散，使得奧氏體中碳量增加，隨著奧氏體向馬氏體轉變，得到高碳馬氏體，提高了硬度。而激光處理后的馬氏體組織為板條馬氏體和孿晶馬氏體組織，其中位錯密度極高，可達1011-1012條/cm2，比常規淬火提高至少兩個數量級，并且殘余奧氏體中存在大量的位錯塞積群。馬氏體在高度受扼的狀態下形成，因此形成了本質上是變形馬氏體的淬硬組織。因此，我們認為，晶粒超細化，高的馬氏體含量，馬氏體高位錯密度和高的固溶含碳量是材料經激光熱處理后獲得超高表面硬度的主要原因。
　　
參考文獻
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