激光表面改性的影响因素以及熔池温度的检测与进展

激光表面改性的影响因素以及熔池温度的检测与进展

摘要：本文论述了激光表面改性的发展现状及趋势，激光表面改性的主要影响因素，以及国内外熔池温度的检测与控制的进展等问题。

1、激光表面改性简介

激光表面改性是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。虽然激光加工技术始于20世纪60年代，但激光表面处理在大功率激光器的研制之后才获得了实际应用，并在近几年得到了迅速发展。激光表面改性[1]是当前材料工程学科的重要方向之一，同时被誉为光加工时代的一个标志性技术,各国(尤其是发达国家)均予以重点发展。其高效率、高效益、高增长及低消耗、无污染的特点，符合材料加工的发展需要。经过多年研究和实际应用表明，和其它传统表面处理技术相比，激光表面工程技术具有以下一些优点：

（1）可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介于稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。可大幅度提高材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀。

（2）强化层与零件本体形成最佳的冶金结合,解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。

（3）激光束能量密度高，对非激光照射部位几乎没有影响，即热影响区小，工件热变形可由加工工艺控制到较小的程度，后续加工余量小。有些加工件经激光处理后，甚至可直接投入使用。

（4）易于实现信息化、智能化, 可以引入近代计算机、机器人等高技术装备, 使激光束的产生及操纵信息化、智能化。

根据采用的不同的激光能量密度和不同的处理方式,激光表面改性技术中比较典型的方法有几种: 激光相变硬化、激光熔覆、激光表面熔凝、激光冲击强化、激光表面合金化等。

2、激光相变硬化工艺及其影响因素

激光相变硬化(又称激光淬火)是激光热处理的一种，它是以激光为热源，通过高能量的激光束扫描工件，使工件表面极薄一层的小区域内快速吸收热量而温度急剧上升，工件材料表面内的温度在材料的熔点和奥氏体转变临界温度之问的部分发生固态相变，随后发生自淬火，得到马氏体组织，实现工件表面相变硬化。激光相变硬化后，工件表面硬度显著提高，淬硬层深达0.1-2.Omm，疲劳强度增大，且加工后变形小，因此得到广泛应用[2].

由于激光相变硬化过程错综复杂，需要考虑影响硬化层的主要参数及其相互关系。激光硬化层的尺寸参数(硬化层宽度，硬化层深度，表面粗糙度，显微硬度，耐磨性，组织变化)

取决于激光功率密度(激光功率，光斑尺寸)，扫描速度，材料的性质(成分，原始状态)和表面预处理特性等，也与被处理零件的几何形状，尺寸和激光作用区的热力学性质有关。在其他工艺因素不变的条件下，主要工艺参数有激光器输出功率，扫描速度和作用在材料表面上的光斑尺寸。三者的综合作用直接反映了激光淬火过程的温度及其保温时间，三者可互相补偿，经适当的选择和调整可获得相近的硬化效果。另外还应考虑各参数值的选择范围，不能过大或过小，以免冷速过低，不能实现马氏体转变。反之，激光功率过大，容易造成表面熔化，影响表面的几何形状。奥氏体的临界转变温度与材料的熔点之比值越小，允许产生相变的温度范围越大，硬化层深度就越深。除此之外，硬化带的扫描花样(图形)和硬化面积的比例，硬化带的宽窄，在激光作用区吹送气体的状况，光路系统以及光束焦距等均对激光表面淬火质量有一定的影响[3]。

3、激光熔覆工艺及其影响因素

激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。其参数主要有激光功率、光斑直径、送粉速度、扫描速度等，它们对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大的影响，而这些影响都可以从熔池的温度变化中体现出来。

激光功率对熔池的温度有重要的影响。功率越大，熔化的粉末越多，产生气孔的机率也越大，基材升温也越大，熔覆层变形和开裂倾向也越大，严重时表面层会陷入基体中，形成较深的沟槽;功率小，粉末不能完全熔化，熔液与基材的润湿性降低，表面张力过高，致使熔液凝聚，也可能产生泪珠状的结果。功率的升高和温度的升高成近似的线性关系（如图3-1），说明随着功率的增大，熔池得到的激光能量也越大，温度自然升高[4]。

图3-1 温度随功率的变化

随着扫描速度的增大，熔池吸收的激光能量有所降低，熔池表面温度随之下降（如图3-2）。另外，在功率一定的情况下，扫描速度过慢，粉末吸收能量大，会导致熔池变大，溶液也易发生气化，从而影响熔覆质量;扫描速度快，容易使粉末不完全熔化，使粉末产生飞溅现象，影响熔覆品质。随着扫描速度的增加，熔池中液态金属的冷却也增大，使得在随后的凝固过程中晶核没有充分时间长大，因而随着扫描速度的增加，熔覆层中的晶粒明显减小，如图3-3，硬度也相应增大。

图3-2 不同的扫描速度对温度的变化的影响

图3-3 不同扫描速度下的熔覆层组织

在相同工艺条件下，送粉速率增大，透光率随之下降，从而使基体吸收透光

能量线密度减小，熔覆材料加热温度降低，熔覆层组织细化，界面区域减小，界面初生柱状

晶生长能力减弱，此现象在扫描速度较低时较显著。在给定扫描速度下都存在一个临界送粉速率，临界送粉速率随扫描速度增大而减小，即透光率随送粉速率增大而减小到一定程度，以至于不能使基体表面熔化，此时熔覆层与基体不能达到冶金结合，熔覆便不能实现。对应的送粉速率被称为临界送粉速率。在此种情况下，熔覆材料加热温度一般较低，熔覆材料颗粒不能完全被熔化而形成类似烧结的组织，如图3-4

图3-4 送粉率过大造成烧结现象

光斑直径是指从激光器出来的光束经光学系统聚焦后照射到扫描线上的圆形光斑大小。研究表明比能量(E=P/ DV)减小有利于降低稀释率。因此在激光功率一定的条件下，熔覆层稀释率随光斑宽度增大而减小;当扫描速度和光斑宽度一定时，熔覆层稀释率随激光束功率增大而增大。只有把熔覆比能量控制在一定范围内，才能获得品质优良的涂层。

预热是防止熔覆层产生开裂现象的一种有效方法。先用低功率激光束在不送粉的情况下沿轨迹对基材加热，然后用2. OKw的激光功率，3mm的光斑直径，6. 5g/s的送粉速度和8mm/s 的扫描速度研究预热温度对熔池平均温度的影响。结果如下图4-20所示，随着预热温度的增加，熔池温度呈线性上升。

图3-5 预热温度对熔池温度的影响

在相同工艺条件下，基体预热将导致熔覆层组织粗化，熔覆层与基体结合界面附近柱状晶生长能力增强，界面附近出现条状马氏体，如图4-21，界面区域加宽，这是由于预