激光熱處理的現(xiàn)狀及發(fā)展
2012-12-21
我國激光熱處理的研究、開發(fā)和應用，自70年代由鐵科院金化所和中科院長春光機所等單位率先開展以來，已有20多年的歷史。迄今，我國開展激光熱處理的單位已遍及除西藏以外的各省、自治區(qū)、直轄市。在國家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”攻關和“863”計劃，國家自然科學基金和各地的科技發(fā)展基金的支持和引導下，取得了大量有價值的研究成果，并有若干突破性進展，取得了一定規(guī)模的工業(yè)應用。在我國，激光熱處理領域的產(chǎn)、學、研相結(jié)合的格局已經(jīng)初步形成?？梢灶A期，經(jīng)過堅持不懈的努力，將有更多的突破，市場的開拓也必定會有更大的進展。
為了實現(xiàn)激光相變硬化工藝的計算機控制，早日達到實際應用，正努力解決兩個問題：①快速計算；②減少計算與實際間的誤差。昆明理工大學[4]對穩(wěn)態(tài)溫度場的計算公式進行快速傅里葉(Fourier)變換，可以迅速對溫度場求解，在求解過程中已不必進行關于時間的積分運算，使計算速度顯著增加，與同精度的有限元或有限差分等純數(shù)值計算相比，計算速度快兩個數(shù)量級以上。實際證實，計算與試驗結(jié)果之間的相對誤差在10%左右。對瞬態(tài)溫度場計算公式，利用快速Fourier變換[5]，即FFT技術，可使溫度場的求解速度大大加快，效果與穩(wěn)態(tài)溫度場時相同。此方法適于任意給定的激光功率密度分布。如果能有效監(jiān)測實際光束的功率密度分布，并能迅速計算激光與物質(zhì)的相互熱作用，對于保證激光熱處理的質(zhì)量有重要意義。上海海運學院[6]采用非穩(wěn)態(tài)瞬時熱源解法，導出了描述激光淬火對零件內(nèi)部熱循環(huán)過程及快速估算硬化層深度的近似公式，簡便實用，誤差較小。
早期的激光合金化工作[38，39]偏重于工藝參數(shù)、組織和性能的研究。在激光合金化層中，存在表面不平整和出現(xiàn)裂紋及氣孔的兩個重要問題，對此許多研究者做了大量的工作，提出了解決辦法。近期我國的激光合金化工作，有兩項值得注意的進展。一項是清華大學把激光合金化技術應用到實際產(chǎn)品上[40，41]；另一項是北京航空航天大學采用激光合金化工藝來強化新型高溫結(jié)構材料——TiAl金屬間化合物，提高其耐磨性[42]。清華大學結(jié)合沙漠車用F8L413F八缸風冷柴油機研制陶瓷挺柱的科技攻關，在45鋼凸輪軸上成功地實現(xiàn)一種激光熔凝和激光合金化復合的表面強化新工藝[40]。采用自行研制的TH-2型共晶合金化涂料，在凸輪的桃尖部分進行激光合金化處理，使其硬度達到60～67HRC，合金化層深1.3～1.5mm；凸輪的其它部分進行激光快速熔凝處理，獲得硬度55HRC，硬化層深0.8～1.0mm。凸輪強化表面平整均勻，無氣孔和裂紋，實現(xiàn)了合理連續(xù)的組織與硬度搭配，凸輪軸處理后無需校直。發(fā)動機經(jīng)500h臺階試驗和沙漠車上5個月使用考核，表明激光強化的凸輪具有優(yōu)異的耐磨性和抗疲勞性能。此外還為沙漠車用柴油機研制激光合金化的活塞環(huán)[41]：活塞環(huán)基材是球墨鑄鐵，在激光加熱時，石墨氣化形成氣孔及裂紋。解決途徑是采用自制TH-2，C-Si-B-RE共晶合金化涂料。由于熔池內(nèi)的金屬液形成FeCSi共晶或過共晶，具有很低的熔點和良好的流動性，有利于雜質(zhì)和氣體逸出；涂料中含有的微量稀土，在Fe-C合金液中有強烈的凈化和除氣作用。同時在TH-2共晶合金化涂料中添加WC、TiC陶瓷粉末，得到的組織是高硬度的WC、TiC質(zhì)點彌散分布在細小、均勻、致密的共晶FeCSiB介穩(wěn)基底上。結(jié)果活塞環(huán)的合金化層平均顯微硬度達1200HV。這種活塞環(huán)和等離子噴涂陶瓷涂層缸套配對在摩擦學試驗和模擬沙漠使用環(huán)境的發(fā)動機臺架試驗中顯示出優(yōu)異的耐磨性。
北京航空航天大學[42]采用激光氣體合金化工藝方案，在TiAl金屬間化合物的激光表面快速熔化過程中，強行向激光高溫熔池中引入高純氮氣，“原位”地在合金表面制得以高硬度、高耐磨的氮化鈦為增強相的表面改性層。試驗結(jié)果表明激光氣體合金化對提高TiAl金屬間化合物的耐磨性是一種很有前途的表面改性新技術。此外，還與華中理工大學合作，用激光合金化生成TiC的方案來提高TiAl金屬間化合物的耐磨性[43]：在TiAl金屬間化合物表面均勻涂覆碳粉，用CO2激光進行激光表面合金化，制得了以硬質(zhì)TiC為增強相的快速凝固“原位”復合材料表面改性層。激光表面改性層顯微硬度和組織具有較明顯的梯度漸變特征。清華大學近年來與法國焊接研究所合作[44]，研制大面積激光合金化層。用45kW CO2激光器，在XC38碳鋼上，對CSiB＋NiMoCo涂層進行激光合金化處理，獲得了表面光潔、無氧化和無裂紋缺陷的大面積合金化層。合金化區(qū)的微觀組織由馬氏體、殘留奧氏體和多元共晶所組成，其硬度為61～65HRChttp://www.91zenqing.cn/
為了實現(xiàn)激光相變硬化工藝的計算機控制，早日達到實際應用，正努力解決兩個問題：①快速計算；②減少計算與實際間的誤差。昆明理工大學[4]對穩(wěn)態(tài)溫度場的計算公式進行快速傅里葉(Fourier)變換，可以迅速對溫度場求解，在求解過程中已不必進行關于時間的積分運算，使計算速度顯著增加，與同精度的有限元或有限差分等純數(shù)值計算相比，計算速度快兩個數(shù)量級以上。實際證實，計算與試驗結(jié)果之間的相對誤差在10%左右。對瞬態(tài)溫度場計算公式，利用快速Fourier變換[5]，即FFT技術，可使溫度場的求解速度大大加快，效果與穩(wěn)態(tài)溫度場時相同。此方法適于任意給定的激光功率密度分布。如果能有效監(jiān)測實際光束的功率密度分布，并能迅速計算激光與物質(zhì)的相互熱作用，對于保證激光熱處理的質(zhì)量有重要意義。上海海運學院[6]采用非穩(wěn)態(tài)瞬時熱源解法，導出了描述激光淬火對零件內(nèi)部熱循環(huán)過程及快速估算硬化層深度的近似公式，簡便實用，誤差較小。
早期的激光合金化工作[38，39]偏重于工藝參數(shù)、組織和性能的研究。在激光合金化層中，存在表面不平整和出現(xiàn)裂紋及氣孔的兩個重要問題，對此許多研究者做了大量的工作，提出了解決辦法。近期我國的激光合金化工作，有兩項值得注意的進展。一項是清華大學把激光合金化技術應用到實際產(chǎn)品上[40，41]；另一項是北京航空航天大學采用激光合金化工藝來強化新型高溫結(jié)構材料——TiAl金屬間化合物，提高其耐磨性[42]。清華大學結(jié)合沙漠車用F8L413F八缸風冷柴油機研制陶瓷挺柱的科技攻關，在45鋼凸輪軸上成功地實現(xiàn)一種激光熔凝和激光合金化復合的表面強化新工藝[40]。采用自行研制的TH-2型共晶合金化涂料，在凸輪的桃尖部分進行激光合金化處理，使其硬度達到60～67HRC，合金化層深1.3～1.5mm；凸輪的其它部分進行激光快速熔凝處理，獲得硬度55HRC，硬化層深0.8～1.0mm。凸輪強化表面平整均勻，無氣孔和裂紋，實現(xiàn)了合理連續(xù)的組織與硬度搭配，凸輪軸處理后無需校直。發(fā)動機經(jīng)500h臺階試驗和沙漠車上5個月使用考核，表明激光強化的凸輪具有優(yōu)異的耐磨性和抗疲勞性能。此外還為沙漠車用柴油機研制激光合金化的活塞環(huán)[41]：活塞環(huán)基材是球墨鑄鐵，在激光加熱時，石墨氣化形成氣孔及裂紋。解決途徑是采用自制TH-2，C-Si-B-RE共晶合金化涂料。由于熔池內(nèi)的金屬液形成FeCSi共晶或過共晶，具有很低的熔點和良好的流動性，有利于雜質(zhì)和氣體逸出；涂料中含有的微量稀土，在Fe-C合金液中有強烈的凈化和除氣作用。同時在TH-2共晶合金化涂料中添加WC、TiC陶瓷粉末，得到的組織是高硬度的WC、TiC質(zhì)點彌散分布在細小、均勻、致密的共晶FeCSiB介穩(wěn)基底上。結(jié)果活塞環(huán)的合金化層平均顯微硬度達1200HV。這種活塞環(huán)和等離子噴涂陶瓷涂層缸套配對在摩擦學試驗和模擬沙漠使用環(huán)境的發(fā)動機臺架試驗中顯示出優(yōu)異的耐磨性。
北京航空航天大學[42]采用激光氣體合金化工藝方案，在TiAl金屬間化合物的激光表面快速熔化過程中，強行向激光高溫熔池中引入高純氮氣，“原位”地在合金表面制得以高硬度、高耐磨的氮化鈦為增強相的表面改性層。試驗結(jié)果表明激光氣體合金化對提高TiAl金屬間化合物的耐磨性是一種很有前途的表面改性新技術。此外，還與華中理工大學合作，用激光合金化生成TiC的方案來提高TiAl金屬間化合物的耐磨性[43]：在TiAl金屬間化合物表面均勻涂覆碳粉，用CO2激光進行激光表面合金化，制得了以硬質(zhì)TiC為增強相的快速凝固“原位”復合材料表面改性層。激光表面改性層顯微硬度和組織具有較明顯的梯度漸變特征。清華大學近年來與法國焊接研究所合作[44]，研制大面積激光合金化層。用45kW CO2激光器，在XC38碳鋼上，對CSiB＋NiMoCo涂層進行激光合金化處理，獲得了表面光潔、無氧化和無裂紋缺陷的大面積合金化層。合金化區(qū)的微觀組織由馬氏體、殘留奧氏體和多元共晶所組成，其硬度為61～65HRChttp://www.91zenqing.cn/
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