激光热处理技术（上篇）

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摘　要：作者从4个方面介绍了近年来我国激光热处理的现状及发展：(1)激光硬化；(2)激光熔覆；(3)激光合金化；(4)工程应用。   

    1 前言  

    我国激光热处理的研究、开发和应用，自70年代由铁科院金化所和中科院长春光机所等单位率先开展以来，已有20多年的历史。迄今，我国开展激光热处理的单位已遍及除西藏以外的各省、自治区、直辖市。在国家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”攻关和“863”计划，国家自然科学基金和各地的科技发展基金的支持和引导下，取得了大量有价值的研究成果，并有若干突破性进展，取得了一定规模的工业应用。在我国，激光热处理领域的产、学、研相结合的格局已经初步形成。可以预期，经过坚持不懈的努力，将有更多的突破，市场的开拓也必定会有更大的进展。  

    2　激光硬化  

    2.1　激光相变硬化的强化机理和组织的研究  

    重庆大学对GCr15钢经激光淬火后引起高硬度(1065HV)的原因用光学金相、扫描和透射电镜、X光衍射仪、俄歇分析仪及电子探针作了系统的试验研究。提出GCr15钢激光相变硬化机理为：①以马氏体相变强化为主，马氏体很细，尺寸为0.196μm×1.8μm，马氏体位错密度很高，达2.3×1012条／cm3，马氏体的含碳量高达0.90%；②残留奥氏体显著强化，其位错密度达3.6×1012条／cm3；③晶粒超细化(ASTM　No．16)和碳化物细化(最表面处为0.59μm，离表面0.1mm处为0.41μm)及弥散分布。山东工业大学对W18Cr4V高速钢经激光相变硬化后的强化机理和组织性能作了研究：激光相变区的晶粒由原来的8级提高到12级，残留奥氏体量较常规淬火有明显减少，约10%～15%，相变区的马氏体为针状马氏体和板条马氏体的混合组织。激光快速加热时间虽短，仍存在碳化物的不完全溶解以及碳和合金元素的不充分扩散，扩散距离约数百nm数量级，碳化物的溶解以尖角-均匀溶解机制进行。激光相变硬化层的硬度峰值为946HV，红硬性比常规淬火高出80℃，640℃回火后硬度峰值达到1003HV，耐磨性较常规热处理提高1～2.8倍，经640℃回火后耐磨性提高5.3～8.1倍，刀具的切削性能提高2倍以上。上海工程技术大学研究了硼铸铁的激光热处理，研究表明：硼铸铁经激光处理后，磨损值降低45.7%。激光热处理提高硼铸铁耐磨性的原因是激光硬化层的高硬度及合理的硬度梯度以及局部熔化区对石墨片割裂的封闭。关于强化机理的研究还有许多精彩的报道，限于篇幅无法一一列出，但这些工作已经并将继续为激光相变硬化的工程应用作出积极的贡献。  

    2.2　激光相变硬化的温度场及相变硬化区尺寸的计算  

    为了实现激光相变硬化工艺的计算机控制，早日达到实际应用，正努力解决两个问题：①快速计算；②减少计算与实际间的误差。昆明理工大学对稳态温度场的计算公式进行快速傅里叶(Fourier)变换，可以迅速对温度场求解，在求解过程中已不必进行关于时间的积分运算，使计算速度显著增加，与同精度的有限元或有限差分等纯数值计算相比，计算速度快两个数量级以上。

    实际证实，计算与试验结果之间的相对误差在10%左右。对瞬态温度场计算公式，利用快速Fourier变换，即FFT技术，可使温度场的求解速度大大加快，效果与稳态温度场时相同。此方法适于任意给定的激光功率密度分布。如果能有效监测实际光束的功率密度分布，并能迅速计算激光与物质的相互热作用，对于保证激光热处理的质量有重要意义。上海海运学院采用非稳态瞬时热源解法，导出了描述激光淬火对零件内部热循环过程及快速估算硬化层深度的近似公式，简便实用，误差较小。  

    我们知道，在激光作用下材料吸收激光能量的过程和随后往内部传递热能的过程应该遵守热力学的基本定律，但它明显地有着自身的特殊性，如热过程速度极快、温度梯度大、激光束斑的功率密度分布不均匀而且随时间还会发生变化；激光作用又有连续和脉冲两种方式，在激光作用过程中材料对激光的吸收率以及一些热力学参数随温度变化而变化等。当然不可忽视的是：在激光作用下不同材料本身的组织、结构、成分及其在热作用过程中的变化规律差别很大。因此，激光与材料相互作用过程是一个非常复杂的问题。许多计算方法及其得出的公式都是在限定条件的情况下提出的，若所作的假设与实际情况相差甚远，则基本上对实际热处理工艺的制定没有直接的指导作用。近期的一些研究在这方面已作了很大的努力，试图接近实际，但看来要实现激光相变硬化的计算机控制还有一段距离。  

    2.3　激光淬火用光热转换材料的研究  

    一般来说，需激光硬化的金属材料表面都经过机械加工，表面粗糙度很小，对激光的反射率可达80%～90%，因此通常采用对激光有较高吸收能力的涂料进行预处理。在这方面长春光机所、清华大学等单位做了许多探索。近年来上海工程技术大学以光热转换材料(简称吸收涂层)的光谱发射率及激光相变硬化区面积为依据，研制成以金属氧化物为主的混合氧化物的新型光热转换材料。该材料对CO2激光的吸收率达90%以上，具有工艺性能良好、干燥快、无刺激性气味和激光处理过程中无反喷等优点，有较好推广应用价值。华中理工大学比较了国内有些单位采用的两种光热转换材料——磷化膜与SiO2胶体涂料，得到以下结果：①SiO2胶体涂料的光热转换效率优于磷化膜的；②由于基体与磷化液之间的化学反应造成表面粗糙度增大，且磷与铁之间形成低熔点脆性共晶相，引起硬化层出现晶间微裂纹。所以SiO2胶体的淬硬层质量优于磷化膜；③SiO2涂层的工艺过程简单，无环境污染，灵活性强。  

    从目前来看，激光相变硬化的工业应用离不开采用适宜的光热转换材料。如何保证大批量工业应用过程中涂覆光热转换材料的稳定性、均匀性及可检测性并进一步降低生产成本，还需做进一步工作。  

    2.4　激光加常规复合处理  

    激光热处理是一项新技术，有非常明显的特点，也有一定的适用范围，将激光热处理与适当的常规热处理技术巧妙地结合起来，优势互补，显然是非常好的思路。  

    北京航空航天大学对球墨铸铁材料先用激光表面重熔处理，然后在750℃石墨化退火，使快速凝固共晶渗碳体亚稳相部分地转变为石墨，成功地制得了既含硬质耐磨快速凝固共晶渗碳体，又含弥散石墨的新型铁基多相耐磨材料。

    通过改变退火时间来调节渗碳体和石墨的相对量。由于渗碳体的较佳耐磨性加上石墨的自润滑，是较理想的摩擦学材料。长春光机学院对18Cr2Ni4WA钢先行渗碳处理，使碳呈梯度分布，然后激光相变处理。在复合处理作用下，硬化层分成3个区：第一区为表层完全淬硬区，其最表面为针状马氏体＋渗碳体＋残留奥氏体，次表面为针状马氏体＋板条马氏体＋残留奥氏体；第二区为过渡层，由马氏体＋回火析出碳化物组成；第三区为高温回火区，由回火索氏体组成。  

    随着经济发展，对机械零部件的性能要求将是多种多样的，采用一种热处理工艺往往难以解决问题。因此复合热处理技术的市场需求会有一定程度的增长。

    2.5　激光冲击硬化  

    激光冲击处理(LSP)主要是利用强激光与材料表面相互作用产生的力学效应——强应力波来改善材料性能。此技术能有效地强化钢、铝、钛、镍等金属材料，特别是2024T3铝合金经激光冲击强化后，疲劳寿命提高4倍。近年来，我国从3个方面开展对激光冲击处理的研究：①激光冲击处理对金属性能的影响及工程应用；②激光冲击强化的微观机理；③激光冲击处理的强化效果的无损检测。  

    江苏理工大学及南京大学[11]对2024T62铝合金进行激光冲击处理，激光冲击区的硬度提高42%，在95%置信度下，LSP试件的中值疲劳寿命是未激光冲击试样的5.4～14.5倍。江苏理工大学[12]也对常用的45钢进行激光冲击处理，LSP区硬度提高32%，LSP试件的中值疲劳寿命是未冲击试件的1.11～2.133倍(置信度95%)。由于激光冲击的应力波持续时间极短(微秒)，特别是指有效地处理成品零件上具有应力集中的局部区域，例如提高成品零件上拐角、孔、槽等局部区域的疲劳寿命，所以LSP技术的工程应用前景较好。华中理工大学[13]的研究工作表明，激光冲击处理大幅度提高LY12-CZ铝合金的疲劳寿命的微观机理是激光冲击后的位错密度提高21倍以及在材料表面产生49.43MPa的残余压应力。在激光冲击处理的退火态T8钢中[14]看到了由于激光冲击诱发相变而产生的马氏体组织，解释了硬度提高2倍的原因。再按照压电转化原理，计算出[15]激光冲击在LY12-CZ铝合金中形成的瞬态冲击波的量值为MPa级，并且激光冲击波是由一系列不同频率的波叠加的结果，其中高频波所占比例较大。南京大学[16]提出用表面粗糙度和微凹坑两个表面质量指标并分成4个等级，作为在实际生产应用中判别和控制激光冲击强化效果的无损检测手段。  

    由上所述，我国已在激光冲击硬化的应用基础方面做了大量的研究，得到了比较明确的研究结果，现在问题的关键是要尽快推出具有合适性能价格比的LSP工业应用装备。  

    3　激光熔凝  

    3.1　激光快速熔凝条件下凝固规律的研究  

    许多研究表明，激光快速熔凝条件下，材料的凝固具有高温度梯度和高凝固速率的特点，传统的凝固理论不能完整地、确切地揭示此时材料凝固的规律。近年来国内外许多研究者做了大量工作。其中西北工业大学凝固技术国家重点实验室系统地开展了激光快速熔凝条件下的基础研究。在激光快速凝固微观组织形成原理[17]一文中介绍了激光快速凝固微观组织的界面温度选择原理，以及单相平面前沿、单相枝晶和平面共晶生长3种典型的界面响应函数及其在预言单相合金、共晶合金和包晶合金激光快速凝固微观组织中的应用。

    3.2　不同基底材料上的激光熔覆  

激光熔覆的基底材料大多采用廉价的普通碳钢和铸铁。近年来清华大学对铝合金作为基底材料的激光熔覆做了许多工作[18]：用送粉激光熔覆法在铝基体表面成功地获得了均匀致密的SiO2涂层和Al2O3-TiO2涂层。SiO2涂层厚度为10～30μm，Al2O3-TiO2涂层厚度可达100μm，涂层内部致密无缺陷，涂层与铝基体结合良好。重庆大学[19]对钛合金基底材料上用激光束合成与涂覆生物陶瓷涂层获得成功。中科院金属所[20]在Ni基高温合金基底上用NiCrBSi和NiCrAlY两种合金粉与ZrO2的混合粉进行激光熔覆，获得了不同结构热障涂层。  

    3.3　熔覆材料及陶瓷相的研究  

    激光熔覆材料最常用Ni基材料，Co基与Fe基也有使用。海军后勤学院[21]研究了在45钢表面制备Co-TiC-WC金属陶瓷复合层，硬度和耐磨性高。华中理工大学[22]在Q235(A3)钢表面制备Fe-WC金属陶瓷复合层，并研制了一种适用于激光熔覆的Cu基合金和SiCp的复合粉[23]。一方面兼顾Cu基合金的优良性能；另一方面，通过加入SiCp，改善组织，提高覆层的硬度和耐磨性。清华大学[24]提出：采用热喷涂合金粉末作为激光熔覆材料容易带来气孔和裂纹问题，研究了Fe-C-Si-B合金粉，可获得按介稳系结晶的组织，其细化程度比C-Si-B激光合金化有很大提高，添加少量CaF2可显著改善熔覆材料的工艺性能。在激光熔覆材料中添加稀土是许多研究者所关注的，中科院金属所[25]通过激光快速熔凝处理钢表面含稀土的涂层，研究了稀土在钢表层的加入量和对钢表层性能的影响。结果表明：激光熔凝处理含稀土的涂层可使较多的稀土加入钢表层，C-N-B-Ti＋RESiFe涂层激光处理后其表面稀土含量为0.35%，Ni-Cr-B-Si＋RESiFe涂层激光处理后其表面稀土含量为5.5%。加入表层的稀土在改性层中沿深度分布较为均匀，不存在明显的浓度梯度，表层组织均匀。稀土硅铁的加入使钢表层的耐磨性、抗氧化性等都有较明显的提高。  

    激光熔覆的陶瓷相以采用碳化物的工作较多，如TiC[26]和WC[27]等。有的研究工作采用氧化物，如Al2O3、TiO2和SiO2[18]等。中科院金属腐蚀所研究了硼化物作为陶瓷相[28]。

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国外的激光发展技术很先进，然而其激光热处理的比例好像只占10%还不到，其他大部分都是激光切割和焊接，很值得我们思考的问题:激光热处理难道真的是一种非常高科技的热处理方式吗？还是仅仅只是一种噱头？一种眼球经济？

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目前 激光在热处理行业的优势在其他方面还没有体现出来，但是在熔覆修复方面已经显示出它不可替代的优势

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