功率对激光表面淬火组织的影响

功率对激光表面淬火组织的影响

0显微组织的自退火激光表面试火是一种以一定速度移动的激光束辐射金属，并迅速加热表面金属。当光斑移动时，基底材料吸收的热量迅速降低，表面金属的温度迅速下降，形成与传统争吵相反的自燃烧。由于激光功率密度高、工件变形小和工艺简便,自淬火的降温速度极高,可以获得超细组织和结构,因此可得到显微组织特殊的表面改性层,对于提高金属的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性有良好的作用。航空常用材料2A12铝合金,沸点低、传热快和对激光的吸收率低,激光加工较困难,是国内外激光加工应用领域公认的难题。本文针对铝合金的特点,选取优化扫描速度、保护气体流量等工艺参数,研究了改变激光功率参数,淬火区的金相组织、显微硬度的变化规律。1准备和实验1.1试样表面预处理实验采用2A12铝板材为原始材料,包覆纯铝层,热处理状态为淬火+自然时效。试样尺寸为40mm×30mm的长方形试样,厚度为4mm。淬火前试样需进行表面预处理,其工艺流程为打磨、脱脂、碱洗、酸洗和黑化。打磨的目的是除去包铝层及高熔点的氧化膜;脱脂、碱洗和酸洗的目的主要是去除试样表面的油污,增加对黑化试剂的附着力;而黑化的目的则是增加表面对激光的吸收率,防止铝合金表面对激光的反射。1.2试样制备工艺参数的确定本实验采用横流、管板式和多模CO2连续激光器,波长为10.6μm,最大输出功率为2kW。淬火时在试样黑化表面全部面积范围内采用激光多道扫描,两道淬火光斑的重叠率不能太大,通常应低于三分之一。试样表面黑化处理应均匀,否则将会由于局部吸收率过低而产生软点,使测量的显微硬度产生大的偏差。试样表面由Ar气保护,激光正离焦,光斑直径为ϕ2mm,光斑间距为1.6mm。采用激光功率、激光扫描速度和保护气体流量做三因素三水平正交实验。其中激光功率范围为300～1000W,激光扫描速度范围为5～40mm/s,保护气体流量范围为5～15L/min,最终得到一组优化后的实验工艺参数:激光功率为500W、600W、700W,扫描速度为20mm/s,保护气体流量为10L/min。根据优化后的参数,共制备试样三组15件,三组的实验工艺参数见表1。试样激光淬火后室温放置4～5天,自然时效应充分。2过烧现象对晶粒发育的影响将充分时效后的试样磨制并抛光,用凯氏试剂浸蚀试样,观察2A12的金相组织如图1所示。图1a、图1b和图1c分别是功率为500W、600W和700W试样淬火过渡区的金相组织。图1a是正常淬火组织,由于激光能量高度集中,冷速极快,产生了很大的过冷度和很大的温度梯度,因而形成了细小枝状晶,呈明显的方向性,即向散热最快的方向生长。图1b与图1a相比,晶粒稍微粗大一些,但是没有出现过烧现象。但图1c却呈现出明显的过烧现象,显微镜下可见复熔的共晶圆球,它是低熔点三相共晶体(α+Al2Cu+Al2CuMg)在过高的淬火温度下重新熔化成液体,在表面张力作用下收缩而形成,淬火冷却时,它们在组织中呈小球状。过烧的淬火组织具有铸造组织的特点,其晶粒较粗大,同时晶界局部变粗和不规整,这主要因其附近低熔点共晶体熔化后浸蚀了固溶体所致。过烧严重时,晶界、晶内均会出现复熔球。粗大的晶粒往往由于晶界严重氧化而轮廓粗黑,并可能出现沿晶界的裂纹(见图1c)。由图1还可见,在铝合金的基体上分布着许多亮白色和灰色的小颗粒,这些小颗粒是铝合金在时效时的析出相,主要是Al2Cu(θ)相和Al2CuMg(S)相,由于一些杂质元素硅、镉、镍和锌的存在,还存在杂质相,如:Al7Cu2Fe、Al6MnFeSi、Al6MnFe和Al3Fe等。3显微硬度分布利用HXS-1000数字式智能显微硬度计,测定三个实验参数试样的显微硬度。试样加载300g,保荷20s,测量时是沿激光淬火光斑的中心线由基体心部向表层测量,心部和表层的位置示意如图2所示。试样测量点之间的间距为0.25mm,每组五个试样取平均值,显微硬度分布曲线如图3所示。由图3显微硬度测试结果可以看出,每组试样硬度变化的规律基本相同,由心部向表层硬度逐渐增大,但增大的幅度不同,随着扫描功率的增大,硬度逐渐降低。扫描功率为500W、600W和700W的试样,其淬火区显微硬度平均值分别为165.2HV、157.6HV和151.6HV。经过计算,扫描功率为500W时得到的正常淬火组织的显微硬度平均值,比扫描功率为700W时得到的组织显微硬度提高9%,比基体的显微硬度(114HV)提高45%。这主要是由于扫描功率为500W时得到正常淬火组织,而扫描功率为700W时得到的组织是过烧的淬火组织,甚至可能产生微熔。同时,激光淬火时过快的冷速产生了极大过冷度,使淬火组织明显细化,从而显微硬度与基材相比明显提高。4显微硬度测试1)在激光扫描速度为25mm/s、保护气体流量为10L/min,激光功率为500W时,得到了正常的淬火组织,而激光功率为700W时,淬火组织出现过烧。2)显微硬度测试结果表明,试样硬度变化的规律基本相同,由心部向表层硬度逐渐增大。3)激光功率为