功率對(duì)激光表面淬火組織的影響

功率對(duì)激光表面淬火組織的影響

0顯微組織的自退火激光表面試火是一種以一定速度移動(dòng)的激光束輻射金屬，并迅速加熱表面金屬。當(dāng)光斑移動(dòng)時(shí)，基底材料吸收的熱量迅速降低，表面金屬的溫度迅速下降，形成與傳統(tǒng)爭(zhēng)吵相反的自燃燒。由于激光功率密度高、工件變形小和工藝簡(jiǎn)便,自淬火的降溫速度極高,可以獲得超細(xì)組織和結(jié)構(gòu),因此可得到顯微組織特殊的表面改性層,對(duì)于提高金屬的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性有良好的作用。航空常用材料2A12鋁合金,沸點(diǎn)低、傳熱快和對(duì)激光的吸收率低,激光加工較困難,是國(guó)內(nèi)外激光加工應(yīng)用領(lǐng)域公認(rèn)的難題。本文針對(duì)鋁合金的特點(diǎn),選取優(yōu)化掃描速度、保護(hù)氣體流量等工藝參數(shù),研究了改變激光功率參數(shù),淬火區(qū)的金相組織、顯微硬度的變化規(guī)律。1準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)1.1試樣表面預(yù)處理實(shí)驗(yàn)采用2A12鋁板材為原始材料,包覆純鋁層,熱處理狀態(tài)為淬火+自然時(shí)效。試樣尺寸為40mm×30mm的長(zhǎng)方形試樣,厚度為4mm。淬火前試樣需進(jìn)行表面預(yù)處理,其工藝流程為打磨、脫脂、堿洗、酸洗和黑化。打磨的目的是除去包鋁層及高熔點(diǎn)的氧化膜;脫脂、堿洗和酸洗的目的主要是去除試樣表面的油污,增加對(duì)黑化試劑的附著力;而黑化的目的則是增加表面對(duì)激光的吸收率,防止鋁合金表面對(duì)激光的反射。1.2試樣制備工藝參數(shù)的確定本實(shí)驗(yàn)采用橫流、管板式和多模CO2連續(xù)激光器,波長(zhǎng)為10.6μm,最大輸出功率為2kW。淬火時(shí)在試樣黑化表面全部面積范圍內(nèi)采用激光多道掃描,兩道淬火光斑的重疊率不能太大,通常應(yīng)低于三分之一。試樣表面黑化處理應(yīng)均勻,否則將會(huì)由于局部吸收率過低而產(chǎn)生軟點(diǎn),使測(cè)量的顯微硬度產(chǎn)生大的偏差。試樣表面由Ar氣保護(hù),激光正離焦,光斑直徑為?2mm,光斑間距為1.6mm。采用激光功率、激光掃描速度和保護(hù)氣體流量做三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)。其中激光功率范圍為300～1000W,激光掃描速度范圍為5～40mm/s,保護(hù)氣體流量范圍為5～15L/min,最終得到一組優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù):激光功率為500W、600W、700W,掃描速度為20mm/s,保護(hù)氣體流量為10L/min。根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù),共制備試樣三組15件,三組的實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)見表1。試樣激光淬火后室溫放置4～5天,自然時(shí)效應(yīng)充分。2過燒現(xiàn)象對(duì)晶粒發(fā)育的影響將充分時(shí)效后的試樣磨制并拋光,用凱氏試劑浸蝕試樣,觀察2A12的金相組織如圖1所示。圖1a、圖1b和圖1c分別是功率為500W、600W和700W試樣淬火過渡區(qū)的金相組織。圖1a是正常淬火組織,由于激光能量高度集中,冷速極快,產(chǎn)生了很大的過冷度和很大的溫度梯度,因而形成了細(xì)小枝狀晶,呈明顯的方向性,即向散熱最快的方向生長(zhǎng)。圖1b與圖1a相比,晶粒稍微粗大一些,但是沒有出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。但圖1c卻呈現(xiàn)出明顯的過燒現(xiàn)象,顯微鏡下可見復(fù)熔的共晶圓球,它是低熔點(diǎn)三相共晶體(α+Al2Cu+Al2CuMg)在過高的淬火溫度下重新熔化成液體,在表面張力作用下收縮而形成,淬火冷卻時(shí),它們?cè)诮M織中呈小球狀。過燒的淬火組織具有鑄造組織的特點(diǎn),其晶粒較粗大,同時(shí)晶界局部變粗和不規(guī)整,這主要因其附近低熔點(diǎn)共晶體熔化后浸蝕了固溶體所致。過燒嚴(yán)重時(shí),晶界、晶內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)復(fù)熔球。粗大的晶粒往往由于晶界嚴(yán)重氧化而輪廓粗黑,并可能出現(xiàn)沿晶界的裂紋(見圖1c)。由圖1還可見,在鋁合金的基體上分布著許多亮白色和灰色的小顆粒,這些小顆粒是鋁合金在時(shí)效時(shí)的析出相,主要是Al2Cu(θ)相和Al2CuMg(S)相,由于一些雜質(zhì)元素硅、鎘、鎳和鋅的存在,還存在雜質(zhì)相,如:Al7Cu2Fe、Al6MnFeSi、Al6MnFe和Al3Fe等。3顯微硬度分布利用HXS-1000數(shù)字式智能顯微硬度計(jì),測(cè)定三個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)試樣的顯微硬度。試樣加載300g,保荷20s,測(cè)量時(shí)是沿激光淬火光斑的中心線由基體心部向表層測(cè)量,心部和表層的位置示意如圖2所示。試樣測(cè)量點(diǎn)之間的間距為0.25mm,每組五個(gè)試樣取平均值,顯微硬度分布曲線如圖3所示。由圖3顯微硬度測(cè)試結(jié)果可以看出,每組試樣硬度變化的規(guī)律基本相同,由心部向表層硬度逐漸增大,但增大的幅度不同,隨著掃描功率的增大,硬度逐漸降低。掃描功率為500W、600W和700W的試樣,其淬火區(qū)顯微硬度平均值分別為165.2HV、157.6HV和151.6HV。經(jīng)過計(jì)算,掃描功率為500W時(shí)得到的正常淬火組織的顯微硬度平均值,比掃描功率為700W時(shí)得到的組織顯微硬度提高9%,比基體的顯微硬度(114HV)提高45%。這主要是由于掃描功率為500W時(shí)得到正常淬火組織,而掃描功率為700W時(shí)得到的組織是過燒的淬火組織,甚至可能產(chǎn)生微熔。同時(shí),激光淬火時(shí)過快的冷速產(chǎn)生了極大過冷度,使淬火組織明顯細(xì)化,從而顯微硬度與基材相比明顯提高。4顯微硬度測(cè)試1)在激光掃描速度為25mm/s、保護(hù)氣體流量為10L/min,激光功率為500W時(shí),得到了正常的淬火組織,而激光功率為700W時(shí),淬火組織出現(xiàn)過燒。2)顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明,試樣硬度變化的規(guī)律基本相同,由心部向表層硬度逐漸增大。3)激光功率為