激光相变硬化处理的研究进展

激光相变硬化处理的研究进展

李林贺 陈芙蓉 郭桂芳

内蒙古工业大学材料科学与工程学院（010062）

E-mail:lilinhe2003@

摘要：本文简要介绍了激光相变硬化技术及其特点,论述了金属材料激光相变硬化的机理,总结了国内外激光相变硬化技术的研究进展，并就此做出了展望。

关键词：激光；相变硬化；研究进展

1. 前 言

激光相变硬化是在快速加热和快速冷却下完成的一种表面处理技术，因而其硬化层组织较细，硬度亦高于常规淬火的硬度。而且激光加工时，热处理区域小，淬火应力及变形小，还可以对形状复杂的零件和不能用其他常规方法处理的零件进行局部硬化处理。因此，在生产工艺上具有很强的竞争能力[]i。

美国通用汽车公司于20世纪70年代初率先将该项技术用于工业生产，80年代已有17台激光表面相变处理设备形成的生产线，取得了良好的经济效益。我国从20世纪70年代末千瓦级ＣＯ2激光器研制成功，90年代已建有五条激光处理生产线，经历了30多年的应用历史。激光表面淬火技术正以其具有的独特优越性，日益受到人们的广泛重视，已经在航空、航天、交通运输、石油、冶金、机械制造等许多领域得到应用[2]。

2. 激光相变硬化及其特点[3]

激光相变硬化也称激光淬火是以高能量密度的激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升到高于相变点而低于熔化温度。当激光束离开被照射部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，进而实现工件的表面相变硬化。

2.1激光相变硬化优点

1）加热和冷却时间短，生产率高，成本低。

2）仅对表面局部进行淬火，因此硬化层可精密控制，工件变形小，表面光洁度高，故可做最后工序；

3）淬硬层组织细化硬度比常规高15%~20%，耐磨性得到提高。

4）可实现自冷淬火，不需介质。

5）对工件的特殊部位均可加工，加工范围广。

6）工艺过程易实现自动化。

2.2激光相变硬化缺点

1）硬化层深度受限制，一般在1mm以下。

2）金属表面对波长10.6µm激光反射严重，一般90%的激光被反射，为了提高材料对激光的吸收，需作表面处理。

3. 激光相变硬化机理 [4]

当激光束快速扫描金属材料表面时，材料表面极薄的一层瞬间吸收一部分光能，激光辐照区表层温度以极快的速度升到奥氏体化温度以上、熔点以下，使仍处于冷态的基体与被加热薄层之间的温度梯度高达103～104℃/cm。当激光作用停止后，由于作为良导体的金属基体的热传导作用，激光作用区温度迅速下降，进行自冷淬火，使得表面至内部各层的温度均有所不同。因此，激光淬火后材料表层存在三层组织结构：第一层为相变硬化层。由于高功率激光辐照，材料表面温度最高，升温最快，作用时间相对最长，组织转变是在极大的过热度和过冷度的非平衡状态下进行的。原有的珠光体类组织通过切变模式转变为奥氏体组织,随后各种合金元素存在扩散和迁移现象，使得奥氏体中的合金元素分布很不均匀，导致其各部分的马氏体转变温度有很大的差异，冷却后形成高碳马氏体、低碳马氏体和残余奥氏体。同时，晶粒的形核率大大提高，致使硬化层组织非常细小均匀，位错密度较高，呈微细隐针状。该层表层组织结构为奥氏体急冷后形成的高碳马氏体和残留奥氏体，次层组织为加热时的奥氏体和未熔相急冷后形成的马氏体和铁素体或马氏体和碳化物。

第二层为过渡层。该层处于强化层边沿，这主要是由于其加热温度在AC1～AC3之间，温度梯度相对较小，作用时间较短，原子的扩散和迁移更不明显，铁素体向奥氏体转变和碳化物的溶解都不充分，即相变不充分，晶粒较粗大，未达到完全奥氏体化。故过渡层组织结构为马氏体和未转变的原始组织，残留有弥散分布的颗粒状碳化物。

第三层为基体层。该层温度较低，未达到相变温度，原子几乎没有进行扩散和迁移，在激光强化过程中组织未发生变化，保持原有的组织结构，仍为回火屈氏体。

激光相变硬化过程是在高度受扼的形态下进行的，所获得的马氏体实质上是一种形变马氏体，比常规淬火所得的马氏体具有更高的缺陷密度，晶粒更加细化，同时由于冷却速度极快，碳原子来不及扩散，使得马氏体含碳量极高，而且残余奥氏体也获

得了极高的位错密度，从而大大提高材料硬度。材料经激光淬火后的硬度比常规淬火提高15%～20%，相应地材料的耐磨性也得到提高。激光超快速加热过程中，金属材料的过热度很大,造成相变驱动力很大，奥氏体相变在过热度很大的高温区以很短的时间完成，其相变晶核的临界半径极小，奥氏体的成核率极高,其形核数目剧增，结果必然获得超细晶粒。超细化的奥氏体在马氏体相变时必然转变成超细化的马氏体组织，使得过渡层中的马氏体组织和碳化物颗粒也得到细化。从而既提高金属材料的强度，又改善了其韧性。

4. 国内外激光相变硬化研究进展

近十几年来，国内外学者在激光热处理、相变硬化方面做了大量工作来，下面分三个方面进行总结。

一是在激光相变硬化组织和性能的研究中，合肥广播电视大学马自忠等[5]采用Ｗ6Ｍo5Ｃr4Ｖ2(Ｍ2)进行高速激光相变硬化，研究结果表明：经激光淬火后可获得1000ＨＶ以上的超高硬度，组织是细马氏体，激光相变硬化层的耐磨性与常规处理的相比提高约40%。吉林大学刘丽等[6] 对30CrMnSiA钢进行了激光相变硬化处理, 试验结果表明：30CrMnSiA钢经激光淬火后，其硬化层可分为三层，第一层为完全淬硬层，其显微组织是由针状马氏体和残留奥氏体组成；第二层为过渡层，是由针状马氏体和回火索氏体组成；第三层为受热影响的基体组织，由回火索氏体组成，并且30CrMnSiA 钢经激光淬火后，表面层的硬度高达685～775ＨＶ，比高频淬火的硬度提高30%，其硬化层深度达1 7ｍｍ，比高频淬火的深度提高近一倍。Wu Guoqing等[7-8]采用连续激光对Ti-Al金属间合金进行表面熔化处理，通过对结构转变和硬度变化的研究得出：以10°C/min的加热速度从50°C加热到1000°C的过程中，α2->γ相变大约发生在750°C，在860°C左右，树枝状结构转变为细晶结构，从而能准确的测出合金的硬度变化，最终得到的细晶组织可为塑性成型提供良好的基础。上海工程技术大学张光钧等[9]研究了45钢激光相变强化梯度分布的显微组织特征以及原始组织对45钢激光相变强化梯度组织和显微硬度的影响。通过对不同原始组织激光相变强化效果的对比分析，指出原始组织越细小弥散，成分越均匀，缺陷密度越高，材料的临界硬化温度越低，越有利于激光相变强化。在相同的激光处理工艺参数下，原始组织为淬火高温回火态时，激光相变强化的效果最显著，正火态次之。淬火回火态的激光相变强化比退火态具有更大的硬化层深度及更高的显微硬度。此外，上海工程技术大学王慧萍[10]采