激光相变硬化的分析与讨论

激光相变硬化

1 激光相变理论

1.1 激光相变与常规淬火的区别

根据钢的淬火原理：将钢在固态下加热到临界温度Ac3或Ac1以上一定温度（50~100℃），并在该温度下保持一段时间以后大于临界速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火，如图1中曲线2所示。将钢加热到奥氏体转变临界温度（Ac3或Ac1）以上获得奥氏体组织，保温的目的是使组织充分奥氏体化，然后以大于临界淬火速度的冷却速度得到马氏体组织。与常规淬火相比，激光淬火升温速度快，没有保温过程，达不到平衡时的均匀组织状态。

理想的淬火冷却过程如图2中曲线2所示：650℃以上应当缓慢冷却，以尽量降低淬火热应力；650~400℃之间应快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。在400℃以下Ms 点附近的温度区域，应当缓慢冷却以尽量减少马氏体转变时产生的组织应力。这样可保证在获得马氏体组织条件下，减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。激光淬火冷却的特点是停止加热的瞬间温度达到最高，随即以104~105℃/s 冷却速度冷却，远大于淬

火介质为盐水或碱水的最大冷却速度（2000℃/s 和2830℃/s ），

根据冷却速度与时间的关系可以推断激光淬火冷却曲线在钢

的理想淬火冷却曲线左侧，如图2中曲线1。

图3是铁碳合金相图热力学上近于平衡时的组织状态与

温度及合金成分之间的关系。用缓慢的加热速度升温使钢奥

氏体化，可以达到接衡的程度。奥氏体是由生成核和长大而

生成的，碳化物的溶解及奥氏体晶粒的长大，均受到扩散过

程的支配。

在激光加热过程中，当加热速度足够高时（大于400~500℃/s ），钢铁中铁素体相α在某临界温度（约900℃）可发生马氏体型转变的逆转变，以切变方式瞬间生成与其成分相同的奥氏体相γ，即遵循非扩散型转变规律【9】。由奥氏体形成动力学可知，随着钢中奥氏体

温度的增加，奥氏体的形核率和长大速度均随之增加，因而激

光快速加热条件下，奥氏体的形核极高。

1.2 激光相变硬化的特点

1）激光相变硬化主要应用于表面处理，与其他表面处理方

法相比，有以下特点：

（1）激光束能量密度高，对工件表面加热快，冷却快、淬

硬层马氏体比较细，硬度比常规淬火高5%-20%。

（2）仅对工件表层少量金属加热，耗能少，几乎不发生热图 1 激光淬火工艺曲线与常规淬火的比较

图2 1－激光淬火冷却曲线

2－钢的理想淬火曲线

变形，工件变形极小．可以省去矫直及精磨等工序，便于进

行精密件局部表面淬火。

（3）能进行孔或沟槽的侧面及底部的淬火以及复杂工

件表面局部淬火，而用其他方法很难解决。

（4）由于聚焦光束焦深相当大，可以容许工件表面有

相当大的不平度，便于进行花键袖及齿轮的淬火。

（5）硬化深度和面积可以精密控制。

（6）激光淬火除薄件外一般均可自冷淬硬，不用油、

水等淬火剂，无大害。

（7）工艺简单，淬火时间短，可以将淬火工序安排在流水线。

2）激光淬火的缺点

（1）硬化深度受限制，一般在1mm 以下，目前进行的开发研究已在增大深度方面初见成效，有报导可达3mm 。

（2）由于金属对波长10.6μm 的激光反射率很高，为增大对激光的吸收率，须作表面涂层或其他预处理。 2 激光相变硬化温度场理论

利用高能量激光器对金属表面进行处理和应用已经有20多年历史了。激光表面改性可以提高材料一定的使用寿命。所有的铸铁、中碳钢和工具钢都可以进行激光硬化，提高它们的耐磨性和耐腐蚀性。激光扫描工件时，零件表面极薄一层材料吸收辐射能，形成热源。该热源向零件基体进行热传导，引起部各点温度发生从低到高再到低的热循环过程。随着光斑的移动，零件部垂直于扫描速度方向的各截面依次经历热循环。应用高斯能量方程【4】：

012=+∂∂-∇λ

αr q t T T 式中T 为温度，α为热扩散系数，q r 为零件单位时间单位体积所输入的热能，λ为零件热传导系数，t 为时间。

M. F.A sh by ，K .E.Easterling 1984年对激光加工热影响区的温度进行了研究，提出了激光束中心下部温度变化的数学模型【7】。应用该模型可以从理论上计算出激光硬化层的深度，为激光相变研究打下理论基础。

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎩⎨⎧⎭⎬⎫+-+=-t z z t t t r AP T T 202/100)(41ex p )]([2/απν T 0为零件最初温度，A 为零件表面吸收率，P 为激光功率，a 为扩散系数（a=A/cρ）， ρ为材料密度，c 为比热，r 为激光束半径，t 0 （t 0=r 2/4a ）为扩散到半个激光带宽所需时间。激光能量密度为W =(Aq/s)t ，这里，s=πd 2/4，s 为激光区的面积，而t=d/v 为激光作用时间，d 为激光束直径，v 为扫描速度。其中α一热扩散系数，一般不是固定值，它取决于激光涂覆层、激光扫描速度、激光功率、加工材料化学成分等。图3 铁碳合金相图

通过该公式可以计算出激光束中心下部不同深度的温度。对连续加热和冷却速度可以用上式对时间进行求导得到：

[]

{[]})0/02)(2/1(4/)(/)0(20t t t t t z z t T T dt dT ++-+-=α 上式中括号的第一项代表加热速度，第二项代表冷却速度。当材料表面的反射率为R 时，表面吸收率A= (1-R)。A 是测量表面涂覆层及传递到材料中激光能量的一个重要参数，并且也是确定在激光硬化过程中产生相变的临界热量。A 一般不是常数，取决于表面涂覆层的类型、激光功率、扫描速度和被硬化材料的化学成分。如果A 值确定以后，就可以确定出激光硬化层深度，同时激光输入的辐射能也可以进行计算

【8】：

t s AP W )/(=

式中s=πd 2/4一激光处理区面积，t=d/v －激光作用材料表面时间，d 一激光束直径，v －扫描速度。而(AP/s )一激光处理表面的能量密度。如果采用矩形光束，输入的能量密度可以写成:

21/d d AP E =

式中d 1和d 2分别是激光束的宽度和长度。对于矩形光斑激光输入的辐射能可按下式进行计算:

)/(v APb W =

式中b 一矩形光斑沿扫描速度方向的长度，v 一扫描速度。为了快速计算硬化层的深度，吴刚等人采用非稳态时热源解法，导出了描述激光淬火时部热循环过程及快速估算硬化层深度x d 的近似公式【9】：

e kv qb x Ac d πθα

12=

式中q 一 激光功率密度，a －扩散系数，k 一导热系数，v 一扫描速度，b 一扫描长度，θAc1=T Ac1-T ∞－对应于相变临界温升。

K.- K.Yoon ，W .-B.Kim ，S. -J.Na ，采用有限元法对激光加工表面产生热流动、热应力和热变形进行分析。对于热传导问题的有限元方程可以按如下方程写出【5】：

0][]][[]][[=++F T K T C

式中[C]一热传导矩阵，[K]一刚度矩阵，[F]一热载荷向量，[T]一节点温度向量。利用有限元模型，可以把在激光束下面的网格划分的细一些，离激光束远的网格划分的较粗一些。

3 影响激光硬化效果的因素

一般而言，激光表面相变硬化的指标有：硬化深度、硬化宽度和硬度。对具有组织遗传性的钢，硬化指标还有高温下奥氏体的晶粒度与分布。

影响上述硬化指标的参数，主要有:

（1）激光器的输出功率及零件表面的吸收率。

（2）光斑尺寸，它决定了硬化宽度的大小。在聚焦镜已确定的条件下，光斑尺寸通过调节离焦量（或