激光热处理的现状及发展

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摘　要：作者从4个方面介绍了近年来我国激光热处理的现状及发展：(1)激光硬化；(2)激光熔覆；(3)激光合金化；(4)工程应用。
关键词：激光相变硬化；激光冲击硬化；激光熔覆；激光合金化

1前言

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。

2　激光硬化

2.1　激光相变硬化的强化机理和组织的研究

重庆大学[1]对GCr15钢经激光淬火后引起高硬度(1065HV)的原因用光学金相、扫描和透射电镜、X光衍射仪、俄歇分析仪及电子探针作了系统的试验研究。提出GCr15钢激光相变硬化机理为：①以马氏体相变强化为主，马氏体很细，尺寸为0.196μm×1.8μm，马氏体位错密度很高，达2.3×1012条／cm3，马氏体的含碳量高达0.90；②残留奥氏体显著强化，其位错密度达3.6×1012条／cm3；③晶粒超细化(ASTM　No．16)和碳化物细化(最表面处为0.59μm，离表面0.1mm处为0.41μm)及弥散分布。山东工业大学[2]对W18Cr4V高速钢经激光相变硬化后的强化机理和组织性能作了研究：激光相变区的晶粒由原来的8级提高到12级，残留奥氏体量较常规淬火有明显减少，约10～15，相变区的马氏体为针状马氏体和板条马氏体的混合组织。激光快速加热时间虽短，仍存在碳化物的不完全溶解以及碳和合金元素的不充分扩散，扩散距离约数百nm数量级，碳化物的溶解以尖角-均匀溶解机制进行。激光相变硬化层的硬度峰值为946HV，红硬性比常规淬火高出80℃，640℃回火后硬度峰值达到1003HV，耐磨性较常规热处理提高1～2.8倍，经640℃回火后耐磨性提高5.3～8.1倍，刀具的切削性能提高2倍以上。上海工程技术大学[3]研究了硼铸铁的激光热处理，研究表明：硼铸铁经激光处理后，磨损值降低45.7。激光热处理提高硼铸铁耐磨性的原因是激光硬化层的高硬度及合理的硬度梯度以及局部熔化区对石墨片割裂的封闭。关于强化机理的研究还有许多精彩的报道，限于篇幅无法一一列出，但这些工作已经并将继续为激光相变硬化的工程应用作出积极的贡献。

2.2　激光相变硬化的温度场及相变硬化区尺寸的计算

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。

我们知道，在激光作用下材料吸收激光能量的过程和随后往内部传递热能的过程应该遵守热力学的基本定律，但它明显地有着自身的特殊性，如热过程速度极快、温度梯度大、激光束斑的功率