激光相变强化的金属材料学

所谓激光相变强化，是用激光束扫描工件，使工件表层快速升温到Ac3临界点以上，受热层在光斑移开时，由于工件基体的热传导作用使温度舜间进入马氏体区或贝氏体区，发生马氏体相变或贝氏体相变，完成相变强化过程。

相变强化工艺具有表面质量好的优点，可根据不同材质、工件热容量大小、以及激光处理工艺参数的不同，实现硬度、强化层深度可控。在传统热处理工艺中影响强化效果的技术因素，在激光相变强化中所起的作用发生了很大变化。

1.弥散强化和畸变强化

激光相变强化形成奥氏体，当停止激光照射，金属表面发生马氏体转变。在此工艺环境下形成的奥氏体，不管是表层，还是里层，奥氏体晶粒都没有孕育长大的机会。弥散的奥氏体晶粒，形成弥散的马氏体相或贝氏体相，使组织具有晶格强化的同时具有弥散强化效果。而且，在激冷条件下形成的马氏体晶格，比常规淬火有更高的缺陷密度。与此同时，残余奥氏体也获得极高的位错密度，使金属材料具有畸变强化效果，强度大大提高。

2.无氧化脱碳淬火

在传统热处理中，工件在加热过程如没有保护措施，便会发生氧化、脱碳现象，使工件的硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低。

激光相变强化所使用的吸光涂料具有保护工件表面免遭氧化的性能。

3.激光强化的抗疲劳机理

影响金属材料抗疲劳性能的原因之一是疲劳裂纹的萌生时间。磨损和疲劳在材料损伤过程中交互促进，磨损沟痕可成为疲劳裂纹的萌生点，加速疲劳裂纹的萌生，材料表面出现疲劳裂纹后，表面粗糙度严重恶化，磨损也将加剧。

激光强化层具有较强的抗塑性变形和抗粘着磨损能力。

4.等强工作层

常规热处理的冷却方向是由表及里，表面的冷却速度最快，由表及里冷却速度逐渐降低，所以得到了由表及里硬度值下降的梯度分布。

激光相变强化的加热方向虽然也相同，但表面温度较高，而且加热时间相对较长，可达0.2～0.25s，而里层奥氏体化则是舜间完成，使得表层奥氏体中有更高的碳浓度，有更强的固溶强化效果。激光淬火冷却方向却与常规热处理相反，是由里及表，里层温度虽低，但冷却速度最快，外层温度虽高，有固溶强化优势，但冷却速度最慢，虽然里层碳浓度稍低，但畸变强化和弥散强化更强烈。这样在硬化层内就形成了几乎不变的硬度值分布。

激光强化件等强工作层避免了常规热处理件一旦表面出现磨损，其磨损速度便加速的现象。

齿轮激光相变强化工艺技术

1.材料问题

激光齿轮宜采用中碳钢，不宜采用低碳钢。

如果采用低碳钢，齿轮的基体将没有强度保证，降低弯曲疲劳强度。

2.原始状态

激光齿轮的最佳原始状态是调质状态，具体操作可与齿轮毛坯锻造后的消除应力热处理相结合。锻坯正火加高温回火获得激光齿轮所希望的调质状态，是低成本之路。

3.扫描方式

激光齿轮的扫描方式主要有周向连续扫描，轴向分齿扫描。

4.齿轮激光强化的预处理技术

合适的预处理剂是保证齿轮激光强化处理的关键之一,一直以来也是激光加工的难点问题。合理适用的预处理剂和处理工艺，可以防止齿轮表面的淬火裂纹，降低表面烧损敏感性,保证激光处理后齿面精度,增加淬硬层厚度。

5.无搭接技术和离焦差异问题

由于齿轮工况要求，齿轮表面硬化层要求沿齿廓合理分布，而齿轮的形状特殊，另外齿轮节圆面不能有淬火带搭接，因此需要专用宽带聚焦系统。

此外,由于激光束对齿面的照射不能保证齿面不同部位均有相同的离焦量，选择焦点的照射位置是保证齿面硬度分布合理的关键环节。

6.激光齿轮的性能

激光齿轮的性能主要是三方面：疲劳性能；如果激光齿轮和调质齿轮均未发现有断齿现象，证明其具有较高的抗弯曲疲劳性能；耐磨性能；使用性能。