激光热处理的现状及发展
2012-12-21
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。
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[4]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[5]，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[6]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。
早期的激光合金化工作[38，39]偏重于工艺参数、组织和性能的研究。在激光合金化层中，存在表面不平整和出现裂纹及气孔的两个重要问题，对此许多研究者做了大量的工作，提出了解决办法。近期我国的激光合金化工作，有两项值得注意的进展。一项是清华大学把激光合金化技术应用到实际产品上[40，41]；另一项是北京航空航天大学采用激光合金化工艺来强化新型高温结构材料——TiAl金属间化合物，提高其耐磨性[42]。清华大学结合沙漠车用F8L413F八缸风冷柴油机研制陶瓷挺柱的科技攻关，在45钢凸轮轴上成功地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化新工艺[40]。采用自行研制的TH-2型共晶合金化涂料，在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理，使其硬度达到60～67HRC，合金化层深1.3～1.5mm；凸轮的其它部分进行激光快速熔凝处理，获得硬度55HRC，硬化层深0.8～1.0mm。凸轮强化表面平整均匀，无气孔和裂纹，实现了合理连续的组织与硬度搭配，凸轮轴处理后无需校直。发动机经500h台阶试验和沙漠车上5个月使用考核，表明激光强化的凸轮具有优异的耐磨性和抗疲劳性能。此外还为沙漠车用柴油机研制激光合金化的活塞环[41]：活塞环基材是球墨铸铁，在激光加热时，石墨气化形成气孔及裂纹。解决途径是采用自制TH-2，C-Si-B-RE共晶合金化涂料。由于熔池内的金属液形成FeCSi共晶或过共晶，具有很低的熔点和良好的流动性，有利于杂质和气体逸出；涂料中含有的微量稀土，在Fe-C合金液中有强烈的净化和除气作用。同时在TH-2共晶合金化涂料中添加WC、TiC陶瓷粉末，得到的组织是高硬度的WC、TiC质点弥散分布在细小、均匀、致密的共晶FeCSiB介稳基底上。结果活塞环的合金化层平均显微硬度达1200HV。这种活塞环和等离子喷涂陶瓷涂层缸套配对在摩擦学试验和模拟沙漠使用环境的发动机台架试验中显示出优异的耐磨性。
北京航空航天大学[42]采用激光气体合金化工艺方案，在TiAl金属间化合物的激光表面快速熔化过程中，强行向激光高温熔池中引入高纯氮气，“原位”地在合金表面制得以高硬度、高耐磨的氮化钛为增强相的表面改性层。试验结果表明激光气体合金化对提高TiAl金属间化合物的耐磨性是一种很有前途的表面改性新技术。此外，还与华中理工大学合作，用激光合金化生成TiC的方案来提高TiAl金属间化合物的耐磨性[43]：在TiAl金属间化合物表面均匀涂覆碳粉，用CO2激光进行激光表面合金化，制得了以硬质TiC为增强相的快速凝固“原位”复合材料表面改性层。激光表面改性层显微硬度和组织具有较明显的梯度渐变特征。清华大学近年来与法国焊接研究所合作[44]，研制大面积激光合金化层。用45kW CO2激光器，在XC38碳钢上，对CSiB＋NiMoCo涂层进行激光合金化处理，获得了表面光洁、无氧化和无裂纹缺陷的大面积合金化层。合金化区的微观组织由马氏体、残留奥氏体和多元共晶所组成，其硬度为61～65HRC//1000qsw.com/
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[4]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[5]，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[6]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。
早期的激光合金化工作[38，39]偏重于工艺参数、组织和性能的研究。在激光合金化层中，存在表面不平整和出现裂纹及气孔的两个重要问题，对此许多研究者做了大量的工作，提出了解决办法。近期我国的激光合金化工作，有两项值得注意的进展。一项是清华大学把激光合金化技术应用到实际产品上[40，41]；另一项是北京航空航天大学采用激光合金化工艺来强化新型高温结构材料——TiAl金属间化合物，提高其耐磨性[42]。清华大学结合沙漠车用F8L413F八缸风冷柴油机研制陶瓷挺柱的科技攻关，在45钢凸轮轴上成功地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化新工艺[40]。采用自行研制的TH-2型共晶合金化涂料，在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理，使其硬度达到60～67HRC，合金化层深1.3～1.5mm；凸轮的其它部分进行激光快速熔凝处理，获得硬度55HRC，硬化层深0.8～1.0mm。凸轮强化表面平整均匀，无气孔和裂纹，实现了合理连续的组织与硬度搭配，凸轮轴处理后无需校直。发动机经500h台阶试验和沙漠车上5个月使用考核，表明激光强化的凸轮具有优异的耐磨性和抗疲劳性能。此外还为沙漠车用柴油机研制激光合金化的活塞环[41]：活塞环基材是球墨铸铁，在激光加热时，石墨气化形成气孔及裂纹。解决途径是采用自制TH-2，C-Si-B-RE共晶合金化涂料。由于熔池内的金属液形成FeCSi共晶或过共晶，具有很低的熔点和良好的流动性，有利于杂质和气体逸出；涂料中含有的微量稀土，在Fe-C合金液中有强烈的净化和除气作用。同时在TH-2共晶合金化涂料中添加WC、TiC陶瓷粉末，得到的组织是高硬度的WC、TiC质点弥散分布在细小、均匀、致密的共晶FeCSiB介稳基底上。结果活塞环的合金化层平均显微硬度达1200HV。这种活塞环和等离子喷涂陶瓷涂层缸套配对在摩擦学试验和模拟沙漠使用环境的发动机台架试验中显示出优异的耐磨性。
北京航空航天大学[42]采用激光气体合金化工艺方案，在TiAl金属间化合物的激光表面快速熔化过程中，强行向激光高温熔池中引入高纯氮气，“原位”地在合金表面制得以高硬度、高耐磨的氮化钛为增强相的表面改性层。试验结果表明激光气体合金化对提高TiAl金属间化合物的耐磨性是一种很有前途的表面改性新技术。此外，还与华中理工大学合作，用激光合金化生成TiC的方案来提高TiAl金属间化合物的耐磨性[43]：在TiAl金属间化合物表面均匀涂覆碳粉，用CO2激光进行激光表面合金化，制得了以硬质TiC为增强相的快速凝固“原位”复合材料表面改性层。激光表面改性层显微硬度和组织具有较明显的梯度渐变特征。清华大学近年来与法国焊接研究所合作[44]，研制大面积激光合金化层。用45kW CO2激光器，在XC38碳钢上，对CSiB＋NiMoCo涂层进行激光合金化处理，获得了表面光洁、无氧化和无裂纹缺陷的大面积合金化层。合金化区的微观组织由马氏体、残留奥氏体和多元共晶所组成，其硬度为61～65HRC//1000qsw.com/
