球墨铸铁表面激光重熔工艺

1、上海工程技术大学毕业设计（论文） 球墨铸铁表面激光重熔工艺试验目 录摘 要1ABSTRACT21 绪论11.1 球墨铸铁11.1.1 球墨铸铁的发展21.1.2 球墨铸铁的分类41.1.3 球墨铸铁的基体组织61.1.4 球墨铸铁的机械性能81.1.5 球墨铸铁表面改性101.2 激光重熔技术111.2.1 激光重熔的特点121.2.2 激光重熔工艺参数的选择141.2.4 激光重熔技术工业应用实例151.3 实验的目的和意义152 实验材料及方法162.1 实验材料162.2 实验仪器172.3 实验过程172.3.1 线切割172.3.2 激光重熔172.3.3 镶嵌192.3.4 预磨与

2、抛光192.3.5 腐蚀202.4 宏观形貌与显微组织分析202.5 显微硬度测试203 结果与分析213.1 激光重熔显微组织金相分析213.2硬度分析28参考文献32致 谢352摘 要球墨铸铁是一种高强度的铸铁材料，由于其应用广泛的机械性能、成本低廉、工艺简单等优点，球墨铸铁已迅速发展为产量仅次于灰铸铁的铸铁材料。虽然球墨铸铁铸件已经在所有主要的工业领域中得到广泛的应用，但是由于球墨铸铁的硬度较低，耐腐蚀性能亦较差等缺点，在很大程度上都限制了球墨铸铁的应用，而对球墨铸铁表面进行激光重熔工艺处理，可以有效提高球墨铸铁表面的硬度、耐腐蚀性和耐高温性等，将大大扩展球墨铸铁铸件的应用范围，是一种有

3、着广大前景的工艺。本文用功率为1500 W、2000 W和2500 W的光纤激光束（光斑直径为5 mm×5 mm），以6 mm/s的扫描速度辐照珠光体球墨铸铁表面，然后用VHX-600K型超景深三维数码显微分析仪观察了激光辐照后珠光体球墨铸铁表面重熔层及热影响区的微观组织，用HXD-1000TM/LCD自动转塔数显显微硬度计测量了珠光体球墨铸铁表面激光重熔层横截面的显微硬度。经过讨论分析，得到如下结论：涂层中有大量的树枝晶存在，不同激光功率下涂层组织的细化程度不同，功率越大，组织越细小，越均匀。热影响区是一个渐变的区域，形成机理与易淬火钢中的热影响区类似，可分为淬火区，部分淬火区和回

4、火区。通过对显微硬度的分析，得知在经过激光重熔后，涂层的显微硬度远远高于母材，而且在不同功率下，随着功率的升高，涂层的硬度越高。涂层中石墨的存在是由于凝固速度过快，少量石墨未能逸出。关键词：表面改性，球墨铸铁，激光重熔，热影响区Processing experiment of laser remelting on Ductile cast ironABSTRACTDuctile cast iron is a kind of cast iron material with high strength, its application in a wide range supported by it

5、s mechanical properties, low cost, simple process, these merits prompted it outnumbered other cast iron materials expected the gray cast iron. Although ductile iron castings have been applied widely in all the major industrial areas , due to the bad performance of corrosion resistance and low hardne

6、ss of nodular cast iron , it is confining its use in many areas.Processing of laser remelting on nodular cast iron can improve its surface hardness and corrosion resistance and enduring high temperature and consequently widen the range of application. The procession is promising.The powers of the la

7、ser beam used in this paper are 1500、2000 and 3000wat, with the scanning speed 6mm/s casted on the pearl ductile cast iron. Then using the VHX-600K with supper depth of focus three-dimensionally investigated the processed materials remelting layer and the heat affected zone. And HXD-1000TM/LCD to me

8、asured the hardness of remelting layers section of pearl nodular cast iron. After discussion and analysis, conclusions are drawn below:There are a lot of dendritic crystals in the coating, the size of the coating microstructure is different, the power higher, the microstructure is smaller and in uni

9、form.the heat affected zone is a gradient region, the formation mechanism and the heat affected zone in the easy quenching steel are similar, it can be divided into the quenching zone, the partly quenching zone and the tempering zone.After the analysis of hardness of the phase, there comes the concl

10、usion that in after laser remelting, hardness of the coating is much higher than that of the matrix and under different power, with the increase of power, coating hardness becomes higher.The exist of the graphite in the coating is caused by the high speed of condensation resulting the few graphite p

11、recipitation.Kye words: surface, modification, ductile cast iron, laser remelting, heat affected zone2球墨铸铁表面激光重熔工艺试验1 绪论20世纪中叶，人们成功开发了球墨铸铁，由于球墨铸铁的强度和塑性与常规钢材相当，具有良好的综合力学性能，而且生产工艺简便、耐磨性能优良、成本低廉，因此作为工程材料在车辆、交通、桥梁、机械等行业中得到了广泛的应用。相对于几乎没有塑韧性的灰铸铁，球墨铸铁与钢相当的塑韧性，使其具有强烈的市场竞争力和巨大的应用潜力。人们所谓的“以铁代钢”就是指用球墨铸铁代替碳素钢（铁

12、就是球墨铸铁，钢主要指碳素钢）。人们常常通过表面工程技术对工件表面进行强化，以达到改善工件的表面性能，节约成本，延长使用寿命的目的。目前，常用的表面改性技术有化学热处理、堆焊、电镀、化学镀、热喷涂和等离子喷涂、激光表面加工等。激光表面加工技术有激光相变硬化、激光熔覆、激光冲击硬化、激光合金化、激光重熔等。其中激光重熔也称激光熔凝，是利用激光束辐射工件表面形成激光熔池，激光束离开后熔池区高速冷却凝固，可以获得较为细小均匀的组织1。球墨铸铁表面激光重熔工艺就是利用激光熔池体积小，熔凝速度快和非接触非真空加工的特点，在球墨铸铁表面通过激光辐射制备冶金结合的强化层，提高球墨铸铁表面的硬度和耐磨性，从而

13、改善材料的表面使用性能2。1.1 球墨铸铁球墨铸铁与灰铸铁之间的区别在于两者金相组织中石墨的形态不同。球墨铸铁中石墨主要以球状存在，而灰铸铁中石墨的形态主要为层片状3。往铁水中添加适量的球化剂（Mg、稀土、稀土镁等常被用作球化剂）和孕育剂（硅-铁、硅-钙合金为常用的孕育剂），配合恰当的球化孕育技术，改变碳元素的生长方式，使碳形核长大，变为球状石墨，通过这样的方式会得到含有球状石墨的铸铁，这样的铸铁被成为现代球墨铸铁。现代球墨铸铁中的石墨变为了球状石墨，与原来相比，其机械性能如硬度、韧性、耐磨性等都显著提高4。表1.1为球墨铸铁的化学成分。球墨铸铁中的石墨呈球状，使其避免了灰铸铁中片状石墨的存在

14、，消除了片状石墨尖锐端部的应力集中效应，石墨对金属基体的切口作用显著降低5。由于球墨铸铁中球状石墨的应力集中效应远远低于灰铸铁中片状石墨的应力集中效应，因此可以充分发挥基体金属材料的塑形和韧性,也使得球墨铸铁可以像钢材一样，应用各种热处理工艺调整微观组织，改善使用性能6。表1.1 球墨铸铁的化学成分成分含量（wt.%）C3.5-3.8Si2-3Mn0.5-0.7P0.08S0.021.1.1 球墨铸铁的发展（1）国外发展概况7-8上世纪二十年代末，英国的Morrgoh先是发现了铸铁中的球状石墨，并于一年之后顺利研制出获得球墨铸铁的方法，他的方法是通过在灰铸铁（该灰铸铁中硫、磷含量较低，碳含量较

15、高）中加入Ce，并保证Ce的含量必须维持在0.02%以上。上世纪三十年代中期，位于德国的阿汉铸造研究所成功研制出了如何在低碳高硅的铸铁中获得球状石墨的方法。在石墨片细化研究这一领域，获得专利权的米汉认为，若想得到符合性能要求的铸铁，活性元素必须添加，且添加量一定要充足。1941年，Meehanite公司发表了研究成果：在铁水中添加硅-钙合金用作石墨化元素，之后再使用碲元素等作为反石墨化元素，通过这种方式，最终得到的石墨就是球状石墨。1943年4月12日，美国国际镍公司（简称INCO）的科研员K. D. Millis成功获得了现代球磨铸铁的制备方法。K. D. Millis研究出的工艺是：先将镍

16、硬铸铁（镍硬铸铁的化学成分如表1.2所示）熔化，变为铁水，再分别向铁水中加入Zr、Ce、Bi、Cu+Pb、0.5%Mg，最后浇注成激冷试块。实验结果表明，添加了Mg的试块不仅促进了碳化物的形成，更增加了镍硬铸铁的韧性。数月之后，K. D. Millis对实验进行了改进，先在试块中添Mg，再将硅-铁合金作为孕育剂，最后对试样进行力学性能实验和金相实验，在试样中发现了球状石墨，而且试样具有优异的力学性能。Gangnebin等人于1948年5月7日发表了一篇论文。该论文指出，可以通过先在铁水中加入镁，之后用硅-铁作为孕育剂，对铁水进行孕育处理，最后在保证镁的百分比含量不低于0.04时就能得到球状石墨

17、。他们将镍镁合金加入到铁液中的这一研究成果，在那时是一项技术上的重大突破，也正是由于这一重大进展，使大规模生产球墨铸铁成为了可能9。此后，球墨铸铁无论是在制造、应用或是在研究方面，都进入了快速发展的阶段。表1.2 镍硬铸铁化学成分含量表成分含量（%）C3.35Si0.50Mn0.50Ni4.5Cr1.5（2）国内发展概况10相比于其他国家，我国在球墨铸铁领域的研究历史基本与世界发达国家同步，研究成果也处于世界较高水平，为球墨铸铁的研究、发展和应用做出了巨大贡献。当前，我国也是球墨铸铁生产大国，从2004年起我国球墨铸铁的年产量就已超过500万吨，位居世界第一。在1948年初，王遵明教授就进行了

18、球墨铸铁的研究，并在1950成功开发了现代球墨铸铁生产工艺之一的铜镁合金冲入法11。在上世纪50年代后期，陈希圣教授在球墨铸铁研究方面进行了具有国际水平的研究工作，并提出了“稀土镁球墨铸铁的基本理论，基本技术研究项目”。之后以陈希圣教授为代表的一批学者分别开展了石墨形貌、球化理论和球墨铸铁性能这一系列的深入研究。上世纪六十年代，我国的众多科研人员在经过了大量的试验研究后，最终在1964年宣布成功研制了稀土镁球墨铸铁，这一发明大大改善了我国的球墨铸铁质量问题，也带动了我国球墨铸铁的发展。经过数十年的不断研究，我国通过对球墨铸铁的铸造、热处理工艺、基础冶金学、动静态力学性能及其影响因素、使用性能及

19、应用范围等做了大量工作，并取得卓越的成绩，使我国球墨铸铁在生产应用领域飞速发展。当前，随着能源工业、汽车行业、机床工业、航空航天、石化工业、海洋工程和核能工业等行业的继续发展，对于球墨铸铁铸件的性能要求将不断提高，同时为了满足这些各领域的要求，我国球墨铸铁在的研究也将会进入一个崭新的发展阶段。1.1.2 球墨铸铁的分类根据球墨铸铁的基体组织，可将其分为四大类12：铁素体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁、混合基球墨铸铁和等温淬火球墨铸铁。图1.1是铁素体球墨铸铁的显微组织，图1.2是珠光体球墨铸铁的显微组织，图1.3是混合基体球墨铸铁的显微组织。 图1.1 铁素体球墨铸铁金相组织图图1.2 珠光体球墨铸

20、铁金相组织图1.3 混合基体球墨铸铁的金相组织图1.4为我国2006年的球墨铸铁年产率。如图1.1所示，铁素体球墨铸铁的产量约占国内球墨铸铁总产量的59%，混合基体球墨铸铁约占总产量的19%，珠光体球墨铸铁产量约占总量的16%，等温淬火球墨铸铁占约6%。图1.4 2006年国内球墨铸铁年产率（1） 珠光体球墨铸铁：珠光体的含量不低于90%的一种球墨铸铁。可通过正火处理获得，拥有较高的硬度，抗拉强度和屈服强度在铸铁中球墨铸铁中首屈一指，缺点是伸长率较低。多应用在柴油机曲轴、连杆等部件的制造中13。（2）铁素体球墨铸铁：基体组织中以铁素体为主，珠光体含量一般在10%以内，的球墨铸铁被称为铁素体球墨

21、铸铁。可通过退货处理获得，拥有较高的塑性和冲击韧性，不过强度较低。一些受力较大而又要求耐冲击的零件上应用较多，比如汽车底盘、农机部件。（3）混合基体型球墨铸铁：以珠光体和铁素体的混合组织作为基体的球墨铸铁。虽然在强度上低于珠光体球墨铸铁，延伸率上低于铁素体球墨铸铁，但混合基体球墨铸铁有较好的强度和初性的配和，能克服铁素体球墨铸铁硬度不足，珠光体球墨铸铁延伸率太低的缺点。（4）等温淬火球墨铸铁：以下贝氏体为主的球墨铸铁，将铸件加热到840-900 ，使基体转变为均匀的奥氏体，再将奥氏体淬入250-350 的盐浴中进行等温，最后取出空冷。拥有不错的强度和伸长率，吸震性好。1.1.3 球墨铸铁的基体

22、组织14球墨铸铁的性能与其组织紧密相关。这些组织因素可以分为三方面：石墨球的数量、大小、形态和分布；基体组织如铁素体、珠光体、马氏体和贝氏体等的数量、大小、形态和分布；渗碳体与磷共晶的数量、大小、形态和分布。表1.3列出了常用球墨铸铁的牌号及其主要基体组织和常见机械性能。球墨铸铁的组织为金属基体和分布其中的球状石墨，其中石墨球的体积一般约占全部体积的10%左右。因为石墨的强度、塑形和韧性基本为零，对于铸铁的力学性能来说，石墨相当于基体组织中的孔隙，因而石墨对基体具有一定的割裂作用。显然，当石墨为球形时，应力集中效应最弱，对基体的割裂作用也最不明显，因此球墨铸铁的机械性能与灰铸铁相比有很大的优势

23、。石墨的外廓接近球形，借助扫描电子显微镜、深腐烛、热氧腐烛、离子侵蚀等技术手段，对球状石墨的内部结构进行观察分析，如图1.5所示，可以发现，石墨球体并非光洁的表面，在表面上可以看到一些凸起和凹槽。表1.3 常用球墨铸铁的牌号其主要基体组织和机械性能牌号主要基体组织屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）布氏硬度（HBW）伸长率（%）QT350-22L铁素体22035016022QT350-22R铁素体22035016022QT350-22铁素体22035016022QT400-18L铁素体240400120-17518QT400-18R铁素体250400120-17518QT400-18铁素体25

24、0400120-17518QT400-15铁素体250400120-18015QT450-10铁素体300450160-21010QT500-7铁素体+珠光体320500170-2307QT500-5铁素体+珠光体350550180-2505QT600-3珠光体+铁素体370600190-2703QT700-2珠光体420700225-3052图1.5 球状石墨形貌一般情况下，球墨铸铁的常规基体组织为铁素体+珠光体的混合组织，很少为单一的基体组织形态。若想获得单一的球墨铸铁铸态组织，并获得组织单一的铸件，可以通过控制工艺条件，比如加入某些合金组织、热处理等方式，以达到改变各组织间含量比的目15

25、。球墨铸铁中的铁素体可分为不同的两种形态，环状铁素体和块或网状铁素体。如图1.6所示，其中环状铁素体是由于在凝固过程中，球状石墨周围由于扩散作用，碳元素吸附在石墨球表面形成低碳区，从而形成环绕石墨球的铁素体，也就是俗称的“牛眼”，而块或网状的铁素体分布在珠光团中间。图1.6 铁素体组织金相照片在实际生产条件下，由于极低的碳当量、孕育不充分或其他影响因素，基体组织中会有共晶渗碳体出现。在不同的过冷度下，铁水连续地分别进行亚稳定和稳定共晶反应形成渗碳体与石墨和珠光体共存的组织。这些组织以条块状、鱼骨状等各种形态存在。球墨铸铁中微量合金元素的存在，使得铸件中的铁素体、珠光体等组织发生改变。1.1.4

26、 球墨铸铁的机械性能球墨铸铁的抗拉强度最高可达1500 MPa以上，伸长率从1%到20%不等，屈服强度最高为600 MPa、抗压强度能达到1400 MPa。表1.4列出了球墨铸铁与其它铸铁或钢铁材料的机械性能。通过表1.4中的数据比对情况可以看出，球墨铸铁的强度与普通的灰铸铁相比更加优秀。它的吸震性、耐磨性不但都优于碳钢，甚至还优于一些合金钢。球墨铸铁的静载荷性能虽然低于碳钢但也相差极小，缺口敏感性更是低于钢9。表1.4 球墨铸铁与其他钢铁材料机械性能的对比材料种类抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）抗压强度（MPa）弯曲疲劳（MPa）弯曲冲击值（MPa）延伸率（%）硬度（HB）铸态球铁500

27、-1600400-600850-1250250-300351-6220-280退火球铁400-550350-450-150-200558-24140-180灰铁（片状石墨）220-900-100050-1005-180高级铸铁（细片状石墨）300-450-1000-1400-5-15-225可锻铸铁（团絮状石墨）370-600190-310350-600140-20050-1702-10110-150铸钢（正火）380-600180-280350-550130-150400-2008-20140-170结构钢（St.52）520-640340380-600300-32050-20018-221

28、40-17040Cr850-1100650-700-340-38080-1308-20240-29018CrMoTi1000-1200800-950-55080-15010-17310-350从耐磨性上来说，球墨铸铁是一种良好的耐磨和减磨材料。由于金相组织中含有较多的球状石墨，使它的耐磨性优于同样基体的灰铸铁、碳钢以及低合金钢。石墨本身就是一种良好的润滑剂，受到摩擦时，石墨会从基体上滑落，减小摩擦力，起到了良好的润滑作用，因此大大减轻了材料的磨损。同时，石墨脱落掉后，形成微观小凹坑，储存了足够的润滑油，也大大减轻了材料的磨损16-17。球墨铸铁优良的耐磨性使其适合用来制造对耐磨性要求较高的铸件

29、，如一些小功率内燃机的曲轴、齿轮等，相比于用45号正火锻钢制造的铸件，用球墨铸铁制造的在耐磨性下强上许多；用球墨铸铁代替空压机内的铝合金，两者的使用寿命基本相同，但价格却下降很多，存在很明显的经济效益。球墨铸铁具备良好的抗氧化性，而球墨铸铁抗氧化性的优良主要体现在两个方面，一是化学成分，二是石墨形态。从化学成分上说，球墨铸铁的抗氧化性于影响氧化性的合金元素息息相关，因为不同的合金元素决定了次氧化层的成分与结构。经过研究发现，可以通过增加硅含量和铬含量提高球墨铸铁的抗氧化性能，因为硅和铬可以形成连续致密的氧化膜覆盖在材料的表面。由于石墨的存在，铸铁的氧化过程同钢相比是一个更加复杂的过程。石墨形态

30、对铸铁抗氧化性有一定的影响，而且不同形态的石墨，导致发生氧化时的过程也不同。与灰铸铁中石墨为层片状不同，球墨铸铁中的石墨是分散开的，氧在高温下易发生扩散，而分散开的石墨会阻止这一过程，因此球墨铸铁的抗氧化性将优于灰铸铁18-19。1.1.5 球墨铸铁表面改性（1）激光表面熔凝处理激光表面熔凝处理是以高能激光束在材料表面连续扫描，使表面快速熔化，同时组织很高的温度梯度下，使熔池快速冷却、凝固，从而使材料表面产生一种具有特殊结构的涂层。该涂层既能增强材料表面的机械性能，对材料本身的性能又不会造成影响，而且对于尺寸不大、拥有特殊几何形状零件，如果使用其它的涂层方式，很容易对零件的尺寸形状造成影响，然

31、而采用激光表明熔凝处理技术对零件几乎不会有尺寸上的变化，这一些列优点使得激光表面熔凝技术相比传统的涂层加工技术拥有更大的优势25。例如对球墨铸铁表面进行激光熔凝处理，可以在球墨铸铁表面得到一层具有高硬度，高耐磨性的涂层，同时使球墨铸铁保持原有的韧性20。（2）激光相变硬化激光相变硬化基本原理使通过高能激光束照射到材料表面，表层材料会受到激光辐射的作用，将辐射能转换成热能，温度快速升高，达到到奥氏体相变点温度以上、但不超过熔点的温度，当激光束移开后，由于材料内部的热传导快，材料的表面迅速冷却，这样就可以使表层材料以超过马氏体相变临界速度，将其迅速冷却到马氏体相变点以下，从而获得淬硬层的技术，完成

32、相变硬化。该技术主要应用于铁基材料，对球墨铸铁铸铁模具和零件表面进行激光想变硬化，可以形成较硬的耐磨涂层21。激光硬化的主要优势有：加工过程一般不需要使用外部冷却液容易实现对过程监控和控制被加工的零件产生的形变较小容易与柔性较高的自动化过程集成对零件的部分表面进行硬化以及形成硬化花样（3）激光熔覆激光熔覆是利用高能密度的激光束，将通过输送装置的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，在基体上形成熔池，在光束通过后，熔化金属( 包括涂层材料和部分基体材料) 快速凝固后与基体进行冶金结合，形成单道熔覆，并通过多道搭接，在基体上建立一定体积范围的熔覆层。由于只在基体表面熔覆很薄的一层涂层，就能达到在低

33、成本钢板上制成高性能表面的目的，从而代替了用贵重、稀有金属材料制作的高级合金，降低了能源和资源消耗。因为基体材料的良好的导热性能，从而产生极高的冷却速度，使熔覆层快速凝固结晶。不但产生高结合强度冶金结合，而且还获得均匀细小的显微组织，由此获得具有非常优异的力学性能和耐磨、耐蚀性能的表面22-24。（4）纳米复合涂层处理纳米复合涂层处理是在在球墨铸铁件表面涂覆一层含有纳米材料的复合涂层，复合涂层具有较强的耐磨性和润滑性，同时还具有高韧性、高热稳定性和耐腐蚀性，而且由于涂层为多层复合，也就使得涂层与基体间具有良好的结合力，大大提升了零件的疲劳抗力，还能使球墨铸铁件表面同时具有复合涂层的力学性能与纳

34、米材料的优异特性，也大大延长了零件的使用寿命。目前添加的纳米颗粒主要是纳米碳化物、纳米氮化物、纳米氧化物、纳米金属、纳米合金等25。1.2 激光重熔技术上世纪60年代，激光表面改性技术作为一种高新技术出现，并很快投入应用。这是一项将现代物理学、计算机、材料科学、先进制造技术等方面的成果和知识进行有机结合后，逐渐成型的技术。通过对金属表面进行激光改性技术，对于材料表面的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性等，都有显著提高，因此材料表面改性技术能大大提高产品的质量，极大延长产品的使用寿命，降低产品的成本，取得巨大的经济效益，再加上激光器本身所具有的发展潜力，使该技术发展成为“光加工”时代的标志性

35、技术26。激光表明改性主要以高能激光束为热源，利用激光具有的高亮度、高方向性和高单色性的特点，作用在金属或非金属材料上，金属表层和所吸收的激光的辐射能转变为热能，使材料温度升高、表面熔化或汽化，以实现各种加工27。激光表面改性方法很多，不同的激光表面改性技术，对于材料表面的改性结果也不同，针对材料表面性能要求的不同，可以选择不同的激光表面改性技术。将金属表面的激光改性方法进行分类，如图 1.6 所示，可以分为激光表面重熔(LSM)、激光表面熔覆(LSC)、激光表面合金化(LSA)和激光相变硬化(LTH)28。图1.7 激光表面改性处理方法分类当前，激光表面重熔技术是一项已经被大规模应用的技术。

36、激光重熔过程是熔化、结晶的过程，其结晶过程依从于快速熔凝的基本理论，主要是界面稳定性理论和成份过冷理论及绝对稳定性理论。它的工作原理是将具有较高能量密度的激光束直接照射在材料表面，使材料表面吸收大量的辐射能，并将其转换为热能，在极短的时间内使一定厚度的表层快速熔化并形成熔池，在移开激光束后，又在基体材料的热传导能力，进行快速冷却快速冷却，使熔池温度极速降低并快速凝固，获得具有特殊微观结构的组织，以达到材料表面改性的效果。图1.8为激光重熔物理模型。1.2.1 激光重熔的特点激光表面重熔是采用激光照射在金属表面，使表面发生熔化，形成熔池，随后快速冷凝，在金属表面形成一层均质的组织。使金属表面有一

37、层拥有高硬度、韧性好、耐高温、高耐磨性、高抗腐蚀性强等优点的涂层。激光重熔技术与其他技术相比拥有鲜明的技术特点29。图1.8 激光重熔物理模型相比于表面堆焊，激光重熔由于不需要将焊材转变为高温液态的形式，再将其迁移到电弧熔池中，因此对熔池的保护要求更低，速度也更快。由于相比电镀或化学镀，激光重熔技术更加环保，对环境污染极小，而且由于不需要进行防污染处理，有利于环境保护，还可降低成本。相比与热喷涂、等离子体喷涂等喷涂技术，激光重熔技术在加工过程中大大降低了噪音污染，制备出的涂层孔隙率低，而且对于基底的影响较小，几乎不影响基体的组织。相对于表面渗氮，渗碳，渗硼等化学热处理技术，激光重熔技术不需要将

38、基底加热到高温并长时间保温，生产工艺上更为简单，而且速度更快。相对于激光熔覆技术，激光重熔技术不需要在材料表面添加其他金属粉末，重熔层既能于基体材料会形成天然的冶金结合。由于激光重熔过程中无论是激光加热速度，还是冷却速度都极快，导致其熔化层较薄，热作用区小，工件变形小。因此适用于各种复杂类型零部件。对材料表面性能的优化效果显著，可制备拥有特殊组织性能的涂层，增强材料表面的硬度，耐磨性，抗腐蚀性等。1.2.2 激光重熔工艺参数的选择激光重熔工艺的效果与工艺参数息息相关，激光重熔工艺参数的选择也将直接影响到材料表面的性能。这些工艺参数主要有激光输出功率、激光扫描速度和辐照在工件表面上的光斑尺寸大小

39、。而这些工艺参数之间的差异不仅决定熔凝层的深度，而且还影响加热、冷却和凝固速度。下面主要对激光表面重熔过程中的激光器输出功率、扫描速度、光斑尺寸大小等工艺参数的选择和确定等进行简单的分析和介绍。（1）激光功率激光功率是指激光器输出激光的平均功率。在激光重熔过程中，激光功率的参数极为重要。它不光是对表面形貌的显微起伏影响最大的因素，同时，它也影响着激光重熔区的熔池深度和重熔过程中微观组织的变化。当其余工艺参数恒定时，随着激光功率的增大，获得的重熔层的厚度也越大；在重熔层深度一定的情况，激光功率越高，重熔区的面积也就越大。（2）扫描速度扫描速度主要影响激光束对工件表面的辐照时间。扫描速度不同的情况

40、下，单位时间内的热输入能量也不同，不同的扫描速度对重熔层组织的冷却速度会造成影响。当其余工艺参数恒定时，扫描速度越快，激光束在材料表面的作用时间就越短，从而使材料表面吸收的热量越少，温度越低，得到的重熔层面积与深度都越小。而且采用扫描速度越低，获得的表面形貌越好。（3）光斑尺寸光斑尺寸主要影响重熔层带宽，当其余工艺参数恒定时，光斑尺寸越大，功率密度越低，重熔层越浅。在光斑尺寸确定时，工件表面所处的位置对于重熔层的质量也会造成一定影响，可以选择焦点的内侧或外侧，为了拥有更好的重熔层，一般选择将材料表面置于焦点外侧。激光重熔试验时，选择合适的工艺参数是一个既复杂又重要的过程，这一过程需要经过多方面

41、的研究与讨论。当试验之前要选择合适的激光重熔工艺参数时，首先要研究与分析被处理工件的性能、组织、所需材料的应用领域、质量要求等，计算出重熔层的深度，宽度以及各种机械性能，并以此决定重熔时的工艺参数。之后进行一定的实验，对试验结果进行对比，还要考虑工艺的难易程度，生产成本，最终选择出最理想的工艺参数30。1.2.3 激光重熔的研究现状与发展方向31-32相比于激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化等耳熟能详的激光表面改性技术，激光重熔技术显得默默无名，事实上激光重熔这个概念直到前些年才被提出。过去的数十年中，激光重熔一直作为激光熔覆的附庸，作为激光熔覆技术的一种，直到现在，大量的有关激光技术的书籍中

42、也很少有激光重熔这个概念，大多都被称为预置式的激光熔覆。由于激光重熔技术在目前的实验条件并不算特别成熟，而且对该技术的影响因素较多，所以激光重熔技术在近年来的发展虽然很快，但各种残留的问题也限制了重熔技术的进一步发展和应用，对此，经过研究与探讨，对激光重熔技术今后的发展方向总结出了以下两个方面。 （1） 涂层的开裂倾向激光重熔技术在使用时会涉及到物理、化学和冶金等方面的知识，这种技术对于裂纹有很强的敏感性，当前已经有许多的科学家对该方面进行了研究。只有对激光重熔工艺过程有正确的认识和理解，我们才能通过通过合理的工艺参数与的工艺控制，以避免重熔层裂纹的产生，使激光重熔的应用范围更加广泛。（2）激

43、光器的工艺稳定性目前激光器虽然技术已经趋向成熟，但在实际生产中仍存在部分问题，例如激光器输出功率不稳定、多道搭接中任两道重熔间隔时间不易控制、工作台操作比较麻烦，以及光斑直径的测量存在一定的偶然性等问题33-34。 1.2.4 激光重熔技术工业应用实例由于大功率CO2激光器的出现，使得激光技术在表面处理方面上拥有了广大前景，涉及了多项领域，包括冶金、机械、汽车、航天、石油等重要行业，既能对社会发展产生促进作用，又能带动经济发展。在汽车领域，生产汽车时需要制造大量的铸铁凸轮轴。通过铸造技术产生的零件一般很少会再进行加工，为近终型零件。而且以铸铁所拥有的强度与韧性都能够满足凸轮轴的技术要求，但是在

44、单个的凸轮与凸轮副的接触中，会有较大的摩擦，这就需要铸件表面要有较强的耐磨性。工业上可以通过激光重熔表面改性技术来提高铸铁表面的耐磨性。具体的工艺操作为：采用一个与凸轮相适应的聚焦线，只要在经过一道激光扫描就可以完成工艺操作。与传统的河流花样扫描的凸轮相比，这样既不会在铸铁凸轮轴生产期间，消耗太多的额外时间，延长工期，又能得到满足工业生产的性能且更佳铸件凸轮轴35。1.3 实验的目的和意义当前球墨铸铁虽然由于自身良好的机械性能，其应用范围已经十分广泛，但由于许多领域都要求工件表面要具有高硬度、耐磨性、耐高温等性能，如一些阀门的阀座、大型机床的导轨等，这些要求一定程度上限制了球墨铸铁的应用范围。

45、而激光重熔工艺处理可以改善球墨铸铁的表面性能，激光重熔可以在球墨铸铁表面获得高硬度、高耐磨性和高温性能的改性层，因此对这类工件进行激光重熔处理，获得具有所需性能的球墨铸铁材料，便具有重要的实际意义。例如白口铸铁具有较高的硬度和耐磨性，但由于它的脆性大，使其在应用上具有极大的限制，而球墨铸铁具有足够的韧度、良好的铸造成型性，再经过激光重熔后又能获得高硬度与高耐磨性的表层，这一技术大大拓宽了球墨铸铁铸件的应用领域36。2 实验材料及方法2.1 实验材料实验用主要材料为珠光体基底球墨铸铁，直径50 mm，厚度10 mm。图2.1为试样的金相组织。图2.1 球墨铸铁金相组织2.2 实验仪器本文实验所用

46、的仪器中恒温干燥箱、研磨罐和超声波清洗机是在激光重熔前使用的仪器，YLS-5000型光纤激光器进行激光重熔，DK7763型电火花数控线切割机床对试样进行线切割，镶嵌机、金相试样预磨机和抛光机是在线切割之后使用的，HXD-1000TM/LCD自动转塔数显显微硬度计和VHX-600K超景深三维数码显微分析仪的作用是最后对试样进行性能测试和分析。2.3 实验过程2.3.1 线切割第一台线切割机是前苏联发明的，然后我国迅速地将其运用到工业生产中。本实验的样品采用电火花线切割机，基本原理就是利用自有正离子和电子在电场中积聚，迅速形成一个被电离的导电路，因此在在两板之间形成电流。很快形成的等离子区域将材料

47、瞬间加热到8000-12000 ，使得材料汽化，形成一个气泡，引起其内爆，从而产生动力把液化的从而实现切割。这些过程的实现都是在NC控制和监测下完成的。其工作原理就是将电极丝按照预定的编程路线，经过电火花放点完成切割，其中脉冲电源接工件，另一极接电极丝。切割时需要不断的冷却液进行冷却37-38。用线切割机将铸铁棒材切割为直径50 mm、厚度10 mm的片状。2.3.2 激光重熔本次实验用的激光器是光纤激光器，这是一种以光纤作为工作介质的激光器。其中的光纤是掺杂了稀土元素的增益光纤，长度从数十米到数百米不等。光纤激光器主要由三大部分组成：增益介质、光学谐振腔和泵浦源。其中增益介质的作用是产生光子

48、，光学谐振腔会对光子进行反馈并使光子在增益介质中进行谐振放大，泵浦源的功能则是对光跃迁进行激励作用，光纤激光器的基本结构与固体激光器几乎一致39。光纤激光器也分为多种类型，有染料光纤激光器、稀土元素掺杂光纤激光器、和非线性光纤激光器等。光纤激光器的输出波段范围可从最低为400毫米，最高可达3400毫米，可用于光纤通讯，光谱研究与测量、存储及工业加工等方面。目前国际上商业化的光纤激光器波长以从原来的800纳米拓宽到了如今的超过2000纳米，输出连续光功率更是从几百毫瓦提升到了数千瓦量级40。光纤激光器的优点：（1） 相比于其他激光器庞大的体积，光纤激光器可以称得上使小巧玲珑，非常轻便。（2） 拥

49、有积木式的现代光纤激光概念（3） 光纤激光器的成本与等效的传统激光器相比更低，性价比更高。激光重熔前先清洗待加工样品（去污剂浸泡，钢丝刷擦拭，自来水冲洗，无水乙醇浸泡超声波清洗），烘干后用砂纸打磨样品，去除待加工样品表面的锈化层，烘干备用。利用最大输出功率为5000 W的光纤激光器进行激光重熔，通过调节激光功率调节器可以设置不同的功率，本文主要研究激光功率对球墨铸铁表面激光重熔层质量、微观组织和性能的影响，实验所用激光功率分别为1500 W、2000 W和2500 W，其余工艺参数激光扫描速度固定为6 mm/s，激光束固定为5 mm×5 mm的矩形光斑，离焦固定为55 mm，如表2.

50、1所示。激光重熔过程中，为了保护熔池不与空气发生化学反应，从侧面向熔池吹送惰性气体氩气。表2.1 激光重熔工艺参数试样编号激光功率扫描速度光斑大小11500 W6 mm/s5 mm×5 mm22000 W6 mm/s5 mm×5 mm32500 W6 mm/s5 mm×5 mm图2.2 YLS-5000型光纤激光器激光重熔之后，再次进行线切割，将直径50 mm，高度10 mm的珠光体基底球墨铸铁重熔样品，用电火花线切割机沿熔道方向切割为合适的尺寸。2.3.3 镶嵌由于本实验使用的样品较小，为了之后的磨制、抛光及各项实验步骤能更加方便等，首先对三个样品分别进行镶嵌。

51、2.3.4 预磨与抛光（1）粗磨：很明显，粗磨的目的是大致去除样品的表面杂物，在已经将样品封装好之后，我们就要进行这样一个必要的过程，以便后续的细磨更好地进行。粗磨是一个非常必要的过程，一方面能够去除样品表面不必要的部分，如氧化层，脏物等，保证得到想要的金相观察的部分，另外也未后续的细磨奠定了基础，很大程度上使得样品表面更加平整和光滑，基本去除较大的划痕等不必要的痕迹，减少表面损伤。（2）细磨：经过粗磨的样品，细磨时非常必要的一个阶段，在经过细磨之后，样品表面更加光滑，从而有利于后续的抛光。细磨需要使用多种型号的砂纸，金相砂纸的磨料主要为氧化铝，一般采用水作为润滑剂进行机械湿磨。本实验这一次采

52、用150 #，400 #，600 #，1200 #的砂纸进行细磨。在细磨过程中，需要掌握一定的要点才能得到理想的光滑表面。首先在预磨机上，铺好相应型号的砂纸，然后打开自来水做为润滑剂，同时水也作为散热介质，防止样品组织发生变化。手要平稳地拿好样品，然后轻轻接触砂纸，平稳均匀地用力，力不能过大也不能过小，选择好样品放置方向，且不宜变换方向，当然也可以做适当调整。这样才能实现最佳的细磨效果，否则容易使得样品表面不光滑有划痕而且面不平整。（3）抛光：抛光的目的是为了得到更加光亮的表面，基本使其伟镜面，基本消除了划痕等，以便进行后续的金相观察等。为了提高效率，有一定基础的实验从事人员都知道抛光的目的是

53、尽快去除细磨产生的损伤层，但又不能产生硬化层，否则就会失败，所以，抛光的重中之重还是得到最高的抛光速率。因此有粗抛和细抛的区别。现在使用的抛光剂大多数都是金刚石磨料，金刚石具有非常小得颗粒，且表面变形层小，具有较好的抛光质量。本实验使用的是直径为0.25 m的金刚石抛光剂，抛光机转速为250-300 r/min。2.3.5 腐蚀对样品表面进行腐蚀，是为了能在之后的显微组织观察中，清晰的看到样品的显微组织，本次实验用的是化学腐蚀法。采用4%的硝酸酒精溶液对样品表面进行腐蚀，腐蚀的时间为10 s。腐蚀的原理是利用化学试剂对样品表面进行溶解，因为晶界原子的排列混乱，不稳定，原子具有较高的自由能，侵蚀

54、之后晶界处会因侵蚀而下凹。2.4 宏观形貌与显微组织分析用VHX-600K型超景深三维数码显微分析仪，对三个样品的重熔层、热影响区、基体的组织形貌进行观察，拍摄。对不同功率下的重熔层深度进行测量、对比。对不同区域的金相组织进行分析比对。2.5 显微硬度测试硬度实验在实验研究中有着广泛的应用，因为对材料而言，硬度是一项重要的力学性能指标，它能反映出材料的弹性塑性。显微硬度的测量原理是用一个极小的金刚石锥体，在一定的载荷下，再经过一定的保荷时间，将金刚石锥体压进样品表面，卸除载荷，然后通过光学放大，测定在一定负荷下，由金刚石角锥体压头压入被测物后所残留的压痕对角线长度，根据压痕对角线长度和负荷，测

55、量出样品的硬度。测量时采用试验载荷0.981 N (100 gf)，保荷时间15 s，物镜倍数40x。测定方式采用多位多点测试方法，取平均值作为测量结果。对样品进行硬度梯度测量，即从样品涂层向样品基体方向每隔0.1 mm测一硬度值，获得涂层的硬度-深度曲线。3 结果与分析3.1 激光重熔显微组织金相分析从图3.1中可以看出：经激光重熔工艺处理后，材料表面形成了半椭圆形的区域。通过对试样的金相观察可以发现，激光重熔后的球墨铸铁，在重熔区和基体之间，出现了明显的热影响区。激光照射在金属表面，使表面发生熔化，形成熔池，随后快速冷凝，在金属表面形成一层均质的组织，这一区域通常称为熔凝区，冷凝后表面组织

56、发生改变，导致表面性能也发生变化。热影响区是由于激光的温度极高，在重熔过程中，熔池周围紧邻的区域受高温影响，组织形貌及性能也发生一定改变，形成热影响区。经测量图3.1中重熔区的最大厚度为548.46 mm，热影响区的厚度为754.16 mm，重熔层最大宽度为5204.2 mm。图3.2为重熔后各区域示意图。图3.3是激光功率1500 W时，球墨铸铁激光重熔区横截面在100倍下的组织形貌，图3.4是激光功率2000 W时，球墨铸铁激光重熔区横截面在100倍下的组织形貌，3.5是激光功率2500 W时，球墨铸铁激光重熔区横截面在100倍下的形貌。三张图的观察与比较，我们发现：在光斑直径为、扫描速度、离焦量等工艺参数恒定，激光功率分别为1500 W、2000 W和2500 W时，通过对重熔层深度的测量，激光功率越高，温度越高，基体组织熔化越多，熔池越大，珠光体球墨铸铁重熔层的深度越深。图3.1激光功率为1500 W时试样横截面的宏观形貌图3.2重熔后各区域示意图图3.3是激光功率1500 W时，球墨铸铁激光重熔区横截面在100倍下的组织形貌，图3.4是激光功率2000 W时，球墨铸铁激光重熔区