激光的加工參數(shù)對凹坑的形貌及性能的影響

張海峰，宋玉梅

(長春大學機械與車輛工程學院，長春130022)

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，激光加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。激光織構(gòu)技術(shù)(Laser-texture)是近年出現(xiàn)的一種新型的表面改性技術(shù)。這種技術(shù)可在材料表面微小區(qū)域內(nèi)聚焦較高的能量，形成極快的加熱、熔化(汽化)和凝固過程，從而改變材料表面的形態(tài)及性能［1-3］。

M2高速鋼具有高硬度、高強度和高耐磨性，而且在高溫下還有較好的紅硬性，在工業(yè)領(lǐng)域常應用于高溫摩擦磨損工作環(huán)境中。由于科技的發(fā)展對高速鋼的表面耐磨性要求越來越高，許多學者在強化高速鋼表面的耐磨性上做了許多的工作［4-6］。其中利用激光加工技術(shù)在材料表面加工出不同形態(tài)的表面結(jié)構(gòu)來改善表面的性能，正在逐步引起重視。吉林大學采用模仿生物的表面形態(tài)，合理設計不同仿生耦元的尺寸、分布和形態(tài)，提高了耐磨性［7］、材料的強度［8］和熱疲勞性［9］等。對凸包形、凹坑形、波紋型及鱗片形的仿生耦元的耐磨性測試表明，凹坑形的仿生耦元的耐磨性較好［10］。在近年來的研究中，凹坑形表面形貌對M2高速鋼的表面改性的研究還較少。本文主要探討激光織構(gòu)技術(shù)在M2高速鋼表面的凹坑加工過程中，激光的主要參數(shù)對凹坑的形貌及周圍金屬組織及硬度的影響。

圖1 M 2高速鋼顯微形貌

1 實驗材料與研究方法

實驗選用的材料為M2(W6Mo5Cr4V2)高速鋼，化學成分如表1，圖1為其顯微組織照片，常溫下其硬度為65HRC。用線切割把M2高速鋼切成厚度為6mm的試樣，應用砂紙打磨并拋光后，用無水乙醇及丙酮超聲波清洗。應用型號為JHM-1GXY-500B的激光器對材料的表面加工處理;應用型號為:Wyko NT9100的表面形貌儀對處理過的表面形貌進行檢測并記錄;應用型號為:HXD-1000TM/LCD的顯微硬度計對加工出的凹坑周圍材料硬度測量;應用ZEISS顯微鏡(Axio.Imager.A2m)對凹坑周圍金屬組織觀察。

表1 M 2高速鋼的化學成分

2 結(jié)果與討論

2.1 激光汽化和熔凝對凹坑周圍組織的影響

在特定激光參數(shù)下(表2)，用激光器在M2高速鋼表面加工出凹坑形貌。圖2為加工后，經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕之后的組織形貌。由圖2可見，凹坑形貌的周圍形成了白色的亮環(huán)，此白色圓環(huán)區(qū)域為熔凝區(qū)，圓環(huán)狀的熔凝區(qū)內(nèi)部為汽化區(qū)。在激光加工時，把激光的焦點放置于M2高速鋼的表面(離焦量為0mm)，激光的全部能量都集中在這一區(qū)域。這一區(qū)域的溫度被迅速提高，達到并超過了M2高速鋼的汽化點，區(qū)域的中心部位的物質(zhì)被汽化掉，形成了凹坑形貌，即汽化區(qū)的形成。由于熱的傳導，汽化區(qū)域周圍的金屬會形成一定的溫度梯度。在超過熔化溫度，但沒有達到汽化溫度的區(qū)域就形成了熔化區(qū)域，激光加工的延時結(jié)束后，這個區(qū)域迅速冷卻、凝固，即熔凝區(qū)的形成。圖3為凹坑形貌邊緣的組織形貌。由圖3可知，凹坑邊緣的組織形貌由熔凝區(qū)和熱影響區(qū)組成。熱影響區(qū)外側(cè)為基體組織，基體組織上分著白色的不規(guī)則的亮點，這些亮點為不同元素形成的碳化物。亮白色區(qū)域為熔凝區(qū)，熔凝區(qū)與基體的最大不同就是這個區(qū)域原有的碳化物被全部溶解了。熔凝區(qū)呈現(xiàn)亮白色的，反映了熔凝區(qū)的金屬組織在經(jīng)歷了快速的熔化和凝固后，新形成的金屬組織的耐蝕性大大提高了。熔凝區(qū)的邊緣為熱影響區(qū)，由圖3可見，熱影響區(qū)耐蝕性較差，形成了黑色的腐蝕坑。熱影響區(qū)的溫度沒有達到M2高速鋼的熔化溫度，但是達到了相變的溫度，這個區(qū)域的金屬組織發(fā)生了金相的改變。

圖2 激光加工的凹坑顯微形貌

圖3 凹坑邊緣金屬組織形貌

表2 激光加工參數(shù)

2.2 激光加工對凹坑周圍硬度的影響

圖4 凹坑邊緣顯微硬度分布曲線

圖4顯示了激光加工的凹坑邊緣的硬度曲線。由圖4b可見，硬度的測量由熔凝區(qū)的邊緣向基體間隔一定距離測量的。由圖4a可知，在熔凝區(qū)，顯微硬度不但沒有升高，反而較基體下降了。雖然在快速的熔凝過程中形成了細小的晶粒及馬氏體組織，能夠提高硬度及強度，但是由于碳化物完全被溶解了，形成了網(wǎng)狀碳化物，這是硬度下降的主要原因。在熱影響區(qū)基體沒有熔化，碳化物沒有溶解，但是溫度已經(jīng)達到了相變點，在溫度快速的升高和降低的過程中，熱影響區(qū)經(jīng)歷了一個淬火的過程，形成了殘余奧氏體和馬氏體，這是熱影響區(qū)硬度提高的主要原因。

2.3 激光參數(shù)的變化對凹坑形狀的影響

在激光加工過程中，不同的電流參數(shù)，會對加工出的凹坑形狀產(chǎn)生影響。在其它參數(shù)不變的情況下，設計了四種不同的電流參數(shù)(150A、200A、250A、300A)，對比研究四種凹坑的形狀變化，如圖5所示。

圖5 凹坑的表面形貌:(a)電流150A;(b)電流200A;(c)電流250A;(d)電流300A

圖5a顯示了電流為150A時的凹坑表面形貌。凹坑的直徑為375.5um-413.2um，凹坑周圍區(qū)域平整，未見熔凝金屬出現(xiàn)。電流增加到200A時(圖5b)，凹坑的直徑為:458.5um-462.7um，凹坑周圍有明顯的熔凝區(qū)出現(xiàn)，且可見點狀熔凝物在基體上出現(xiàn)。這說明隨著電流的增大，能量相應增強，激光加工時汽化區(qū)域周圍溫度升高，形成了熔凝區(qū)，且出現(xiàn)了飛濺的物質(zhì)。電流增大到250A時，凹坑的直徑為:456.5um-490.4um，凹坑周圍的熔凝區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，說明了在加工時凹坑的汽化和周圍組織熔凝的過程更加劇烈。電流增大到300A時，凹坑的直徑為:397.25um-437um，與圖1a、b、c比較，凹坑的直徑有所減小。在圖中觀察，凹坑周圍的熔凝區(qū)更加不規(guī)則，且出現(xiàn)的飛濺物質(zhì)增多。這說明了電流的增加使得加工時更加劇烈，但是與凹坑直徑的大小為非線性關(guān)系。

3 結(jié)語

1)觀察了激光在M2高速鋼表面加工凹坑的周圍金相組織的變化，出現(xiàn)了汽化區(qū)、熔凝區(qū)及熱影響區(qū)。熔凝區(qū)與基體的最大區(qū)別在于碳化物全部溶解。

2)測量了熔凝區(qū)、熱影響區(qū)及基體的顯微硬度。熔凝區(qū)由于碳化物的溶解，顯微硬度下降。熱影響區(qū)由于相變，使得顯微硬度升高。

3)觀察并測量了不同電流參數(shù)時，凹坑表面形貌的變化。隨著電流的增加，凹坑的直徑有所增加，但是到300A時由于反映劇烈，直徑減小了。說明了電流的增加與凹坑直徑的大小為非線性關(guān)系。

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