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激光熱處理的現(xiàn)狀及發(fā)展
2012-12-21
我國(guó)激光熱處理的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，自70年代由鐵科院金化所和中科院長(zhǎng)春光機(jī)所等單位率先開(kāi)展以來(lái)，已有20多年的歷史。迄今，我國(guó)開(kāi)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(guó)家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”攻關(guān)和“863”計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金和各地的科技發(fā)展基金的支持和引導(dǎo)下，取得了大量有價(jià)值的研究成果，并有若干突破性進(jìn)展，取得了一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。在我國(guó)，激光熱處理領(lǐng)域的產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的格局已經(jīng)初步形成。可以預(yù)期，經(jīng)過(guò)堅(jiān)持不懈的努力，將有更多的突破，市場(chǎng)的開(kāi)拓也必定會(huì)有更大的進(jìn)展。
為了實(shí)現(xiàn)激光相變硬化工藝的計(jì)算機(jī)控制，早日達(dá)到實(shí)際應(yīng)用，正努力解決兩個(gè)問(wèn)題：①快速計(jì)算；②減少計(jì)算與實(shí)際間的誤差。昆明理工大學(xué)[4]對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算公式進(jìn)行快速傅里葉(Fourier)變換，可以迅速對(duì)溫度場(chǎng)求解，在求解過(guò)程中已不必進(jìn)行關(guān)于時(shí)間的積分運(yùn)算，使計(jì)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(jì)算相比，計(jì)算速度快兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。實(shí)際證實(shí)，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果之間的相對(duì)誤差在10%左右。對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算公式，利用快速Fourier變換[5]，即FFT技術(shù)，可使溫度場(chǎng)的求解速度大大加快，效果與穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)時(shí)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(cè)實(shí)際光束的功率密度分布，并能迅速計(jì)算激光與物質(zhì)的相互熱作用，對(duì)于保證激光熱處理的質(zhì)量有重要意義。上海海運(yùn)學(xué)院[6]采用非穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)熱源解法，導(dǎo)出了描述激光淬火對(duì)零件內(nèi)部熱循環(huán)過(guò)程及快速估算硬化層深度的近似公式，簡(jiǎn)便實(shí)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(gè)重要問(wèn)題，對(duì)此許多研究者做了大量的工作，提出了解決辦法。近期我國(guó)的激光合金化工作，有兩項(xiàng)值得注意的進(jìn)展。一項(xiàng)是清華大學(xué)把激光合金化技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品上[40，41]；另一項(xiàng)是北京航空航天大學(xué)采用激光合金化工藝來(lái)強(qiáng)化新型高溫結(jié)構(gòu)材料——TiAl金屬間化合物，提高其耐磨性[42]。清華大學(xué)結(jié)合沙漠車(chē)用F8L413F八缸風(fēng)冷柴油機(jī)研制陶瓷挺柱的科技攻關(guān)，在45鋼凸輪軸上成功地實(shí)現(xiàn)一種激光熔凝和激光合金化復(fù)合的表面強(qiáng)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(jìn)行激光合金化處理，使其硬度達(dá)到60～67HRC，合金化層深1.3～1.5mm；凸輪的其它部分進(jìn)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(qiáng)化表面平整均勻，無(wú)氣孔和裂紋，實(shí)現(xiàn)了合理連續(xù)的組織與硬度搭配，凸輪軸處理后無(wú)需校直。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)500h臺(tái)階試驗(yàn)和沙漠車(chē)上5個(gè)月使用考核，表明激光強(qiáng)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(chē)用柴油機(jī)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(shí)，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(guò)共晶，具有很低的熔點(diǎn)和良好的流動(dòng)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(qiáng)烈的凈化和除氣作用。同時(shí)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(diǎn)彌散分布在細(xì)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(dá)1200HV。這種活塞環(huán)和等離子噴涂陶瓷涂層缸套配對(duì)在摩擦學(xué)試驗(yàn)和模擬沙漠使用環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中顯示出優(yōu)異的耐磨性。
北京航空航天大學(xué)[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(guò)程中，強(qiáng)行向激光高溫熔池中引入高純氮?dú)猓?ldquo;原位”地在合金表面制得以高硬度、高耐磨的氮化鈦為增強(qiáng)相的表面改性層。試驗(yàn)結(jié)果表明激光氣體合金化對(duì)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(shù)。此外，還與華中理工大學(xué)合作，用激光合金化生成TiC的方案來(lái)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(jìn)行激光表面合金化，制得了以硬質(zhì)TiC為增強(qiáng)相的快速凝固“原位”復(fù)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(xué)近年來(lái)與法國(guó)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(duì)CSiB＋NiMoCo涂層進(jìn)行激光合金化處理，獲得了表面光潔、無(wú)氧化和無(wú)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.kafenchem.com/
為了實(shí)現(xiàn)激光相變硬化工藝的計(jì)算機(jī)控制，早日達(dá)到實(shí)際應(yīng)用，正努力解決兩個(gè)問(wèn)題：①快速計(jì)算；②減少計(jì)算與實(shí)際間的誤差。昆明理工大學(xué)[4]對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算公式進(jìn)行快速傅里葉(Fourier)變換，可以迅速對(duì)溫度場(chǎng)求解，在求解過(guò)程中已不必進(jìn)行關(guān)于時(shí)間的積分運(yùn)算，使計(jì)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(jì)算相比，計(jì)算速度快兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。實(shí)際證實(shí)，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果之間的相對(duì)誤差在10%左右。對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算公式，利用快速Fourier變換[5]，即FFT技術(shù)，可使溫度場(chǎng)的求解速度大大加快，效果與穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)時(shí)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(cè)實(shí)際光束的功率密度分布，并能迅速計(jì)算激光與物質(zhì)的相互熱作用，對(duì)于保證激光熱處理的質(zhì)量有重要意義。上海海運(yùn)學(xué)院[6]采用非穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)熱源解法，導(dǎo)出了描述激光淬火對(duì)零件內(nèi)部熱循環(huán)過(guò)程及快速估算硬化層深度的近似公式，簡(jiǎn)便實(shí)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(gè)重要問(wèn)題，對(duì)此許多研究者做了大量的工作，提出了解決辦法。近期我國(guó)的激光合金化工作，有兩項(xiàng)值得注意的進(jìn)展。一項(xiàng)是清華大學(xué)把激光合金化技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品上[40，41]；另一項(xiàng)是北京航空航天大學(xué)采用激光合金化工藝來(lái)強(qiáng)化新型高溫結(jié)構(gòu)材料——TiAl金屬間化合物，提高其耐磨性[42]。清華大學(xué)結(jié)合沙漠車(chē)用F8L413F八缸風(fēng)冷柴油機(jī)研制陶瓷挺柱的科技攻關(guān)，在45鋼凸輪軸上成功地實(shí)現(xiàn)一種激光熔凝和激光合金化復(fù)合的表面強(qiáng)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(jìn)行激光合金化處理，使其硬度達(dá)到60～67HRC，合金化層深1.3～1.5mm；凸輪的其它部分進(jìn)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(qiáng)化表面平整均勻，無(wú)氣孔和裂紋，實(shí)現(xiàn)了合理連續(xù)的組織與硬度搭配，凸輪軸處理后無(wú)需校直。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)500h臺(tái)階試驗(yàn)和沙漠車(chē)上5個(gè)月使用考核，表明激光強(qiáng)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(chē)用柴油機(jī)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(shí)，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(guò)共晶，具有很低的熔點(diǎn)和良好的流動(dòng)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(qiáng)烈的凈化和除氣作用。同時(shí)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(diǎn)彌散分布在細(xì)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(dá)1200HV。這種活塞環(huán)和等離子噴涂陶瓷涂層缸套配對(duì)在摩擦學(xué)試驗(yàn)和模擬沙漠使用環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中顯示出優(yōu)異的耐磨性。
北京航空航天大學(xué)[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(guò)程中，強(qiáng)行向激光高溫熔池中引入高純氮?dú)猓?ldquo;原位”地在合金表面制得以高硬度、高耐磨的氮化鈦為增強(qiáng)相的表面改性層。試驗(yàn)結(jié)果表明激光氣體合金化對(duì)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(shù)。此外，還與華中理工大學(xué)合作，用激光合金化生成TiC的方案來(lái)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(jìn)行激光表面合金化，制得了以硬質(zhì)TiC為增強(qiáng)相的快速凝固“原位”復(fù)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(xué)近年來(lái)與法國(guó)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(duì)CSiB＋NiMoCo涂層進(jìn)行激光合金化處理，獲得了表面光潔、無(wú)氧化和無(wú)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.kafenchem.com/
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