70Mn激光表面重熔工藝參數(shù)研究

孫伏文，龍日升，張義民，張有為

（沈陽化工大學(xué)裝備可靠性研究所，遼寧 沈陽 110142）

1 引言

激光表面重熔（Laser Surface Remelting，LSR）可以在不添加任何金屬元素的情況下，通過激光束將表面局部熔化后又快速冷卻而達(dá)到改變材料表面特性（包括機(jī)械性能、接觸疲勞性能、熱疲勞性能和耐磨性能等）的目的。朱寶平等對(duì)GCr15軸承鋼激光表面重熔后發(fā)現(xiàn)，在最大接觸應(yīng)力σmax=4410MPa下，可使接觸疲勞壽命L10提高2.2倍，L50提高1.6倍［1］。文獻(xiàn)［2］對(duì)鑄鐵激光表面重熔后發(fā)現(xiàn)，仿生單元的材料顯微硬度相比基材提高了152%。文獻(xiàn)［3］對(duì)低碳鋼的激光表面重熔研究表明：“網(wǎng)格狀”重熔表面結(jié)構(gòu)可顯著地改善低碳鋼的拉伸強(qiáng)度（+14.4%）、屈服強(qiáng)度（+13.1%）、均勻延伸率（+11.4%）和斷后延伸率（+11.1%）。文獻(xiàn)[4]的研究表明：H21模具鋼激光表面重熔的有效深度可達(dá)650μm，重熔區(qū)內(nèi)的元素和微觀硬度分布均勻，以馬氏體為主，還有納米級(jí)的碳化物和高位錯(cuò)密度，可顯著提高表面單元的微觀硬度及耐磨性能。文獻(xiàn)［4-7］的研究表明：激光表面重熔試樣相比基材，具有更高的抗拉伸/斷裂強(qiáng)度和表面硬度。激光重熔區(qū)域與未處理區(qū)域交錯(cuò)，形成軟質(zhì)相和硬質(zhì)相交替鑲嵌的結(jié)構(gòu)，可顯著改善接觸區(qū)域的應(yīng)力集中狀態(tài)，提高材料表面的抗接觸疲勞性能。文獻(xiàn)［8］通過在A356鋁合金上采用不同功率參數(shù)進(jìn)行激光重熔發(fā)現(xiàn)經(jīng)過激光重熔后的表面硬度得到大幅提升，激光重熔處理的試件在彎曲測(cè)試下表現(xiàn)良好的機(jī)械性能。文獻(xiàn)［9］研究表明：激光重熔后的LY12CZ鋁合金疲勞壽命與未經(jīng)激光處理試樣相比無顯著差異.激光重熔后表層金相組織細(xì)化，使得材料表層的顯微硬度比基體硬度提高了40%。

疲勞磨損是滾動(dòng)軸承滾道的主要失效形式［10］，圓錐滾子軸承的保持架跟內(nèi)圈擋邊之間也會(huì)存在嚴(yán)重的滑動(dòng)摩擦，因此提高相關(guān)材料的耐磨性是提高軸承性能和可靠性的重要保證。70Mn主要用于制造耐磨、載荷較大的機(jī)械零件，如彈簧圈、彈簧墊圈、止推環(huán)、離合器盤、鎖緊圈、軸承和軸承保持架等。國內(nèi)外關(guān)于70Mn鋼激光表面重熔工藝的研究未見報(bào)道［11］。這里指通過研究不同掃描速率和不同激光功率對(duì)70Mn鋼重熔表面與重熔區(qū)的影響，來獲得2mm 厚70Mn 鋼的激光表面重熔參數(shù)組合，為后續(xù)70Mn鋼機(jī)械與摩擦磨損性能的研究提供工藝支持。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用2mm厚的70Mn鋼板（采購自上海寶鋼，退火態(tài)，表面硬度約HRB80），具體化學(xué)成分，如表1所示。試驗(yàn)前先用激光將鋼板切成（170×30）mm的試樣，然后用金相砂紙（（200～800）目）打磨試樣表面，以去除雜質(zhì)，最后用無水乙醇清洗去除油污并熱風(fēng)吹干。

表1 70Mn鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition of 70Mn Steel

采用沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的自制激光表面重熔設(shè)備（激光器WFD2500，波長1064nm，激光光斑直徑0.5mm，最大功率500W）在70Mn 鋼表面制備“條紋型”重熔單元。試驗(yàn)過程先比較研究了大氣環(huán)境和氬氣保護(hù)環(huán)境對(duì)70Mn鋼激光重熔表面的影響。然后，在氬氣保護(hù)環(huán)境下，制備了不同掃描速率（10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s）和不同激光功率（200W、300W、400W、500W）下的重熔試樣，共計(jì)16個(gè)（具體如表2所示）。

表2 樣品激光重熔參數(shù)Tab.2 Laser Remelting Parameters of Samples

重熔試樣先用金相切割機(jī)沿垂直于激光掃描運(yùn)動(dòng)方向，切下（10×15×2）mm含重熔區(qū)的塊。采用高分子材料，在鑲嵌后，將試樣塊在金相拋光機(jī)上由粗到細(xì)依次打磨（從（200～2000）目），再用金剛石研磨膏（2.5μm）和灰色呢料進(jìn)行拋光。拋光后的試件塊放入4%的硝酸-無水乙醇溶液中腐蝕（4～5）s，然后用無水乙醇沖洗并熱風(fēng)吹干，再利用三維非接觸式形貌儀（VK-1050，基恩士）觀察試樣的重熔區(qū)，測(cè)量和對(duì)比不同參數(shù)下重熔區(qū)的大小。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 大氣環(huán)境和氬氣保護(hù)環(huán)境對(duì)重熔表面的影響

大氣環(huán)境和氬氣保護(hù)環(huán)境下掃描速率5mm/s、激光功率200W 時(shí)試件的表面形貌對(duì)比（已經(jīng)去除氧化層），如圖1 所示。在相同的激光重熔參數(shù)下，大氣環(huán)境下得到的重熔條紋表面粗糙，寬窄不一，且材料缺失明顯，部分材料甚至四處飛濺，兩側(cè)有嚴(yán)重的黑色氧化區(qū)域和明顯的凸起；而氬氣保護(hù)環(huán)境下的重熔條紋表面呈均勻、連續(xù)和飽滿的魚鱗狀，條紋兩側(cè)的黑色氧化區(qū)域很窄，凸起的高度也較小，重熔區(qū)域的材料缺失不明顯。

圖1 掃描速度為5mm/s、激光功率為200W的70Mn重熔表面Fig.1 Surface of 70Mn Remelted at Scanning Rate of 5mm/s and Laser Power of 200W

這是因?yàn)榇髿猸h(huán)境下，70Mn重熔表面的冷卻速率較低，熔池區(qū)域材料的氧化嚴(yán)重，且易因熔池的不穩(wěn)定而產(chǎn)生材料飛濺。相反地，氬氣保護(hù)環(huán)境下，重熔表面的冷卻速率較高，熔池穩(wěn)定，熔池區(qū)域材料的氧化得到極大抑制，進(jìn)而重熔條紋沿激光掃描方向呈現(xiàn)飽滿而均勻的魚鱗狀。因此，這里后續(xù)所有的試樣都是在氬氣保護(hù)環(huán)境下制備得到的。

3.2 重熔區(qū)的典型形貌

利用非接觸式形貌儀獲得的70Mn 鋼激光重熔條紋斷面顯微圖，如圖2所示。如圖2（a）所示，重熔條紋的斷面呈半球形，存在明顯的重熔區(qū)和熱影響區(qū)，且熱影響區(qū)與基材的邊界清晰。作為一種退火態(tài)高碳鋼，70Mn試樣基材的微觀組織主要由珠光體和少量鐵素體組成，如圖2（d）所示。由于激光重熔工藝在材料表面的“自淬火”效應(yīng)，70Mn重熔區(qū)內(nèi)的珠光體和鐵素體完全溶解，微觀組織完全由細(xì)化的片狀馬氏體組成，如圖2（c）所示。熱影響區(qū)的微觀組織由珠光體、鐵素體和馬氏體組成，如圖2（b）所示。

圖2 掃描速度30mm/s、激光功率300W時(shí)70Mn重熔區(qū)組織Fig.2 Microstructure of 70Mn Remelting Zone Prepared at Scanning Speed of 30mm/s and Laser Power of 300W

3.3 掃描速率和激光功率對(duì)重熔表面的影響

不同掃描速率和激光功率下獲得的激光重熔表面，如圖3所示。當(dāng)激光功率不變時(shí)，隨著掃描速率的增大，重熔條紋逐漸變窄，條紋表面逐漸惡化，從明顯的“魚鱗型”變成不規(guī)則的“長條型”。這是因?yàn)閽呙杷俾实脑龃?，?huì)縮短激光在某一位置經(jīng)過的時(shí)長，降低條紋單位長度的激光總輸入能量，進(jìn)而導(dǎo)致重熔區(qū)域變窄。當(dāng)掃描速率過大時(shí)，材料表面因重熔輸入功率不足而產(chǎn)生熔池深淺不一甚至不連續(xù)的情況，從而讓條紋表面呈不規(guī)則形狀。當(dāng)掃描速率不變時(shí)，隨著激光功率的增加，重熔“條紋”和熱影響區(qū)逐漸變寬，重熔表面逐漸由不規(guī)則形狀變成“魚鱗型”，且條紋邊緣逐漸清晰。這是因?yàn)榧す夤β实脑龃?，?huì)直接增加條紋單位長度內(nèi)的激光總輸入能量，改善重熔區(qū)熔池深度的均勻性和連續(xù)性，進(jìn)而讓重熔條紋表面呈現(xiàn)出明顯的“魚鱗型”。

圖3 不同掃描速度和激光功率下制備的條紋重熔表面Fig.3 Remelted Surface of Stripes Prepared at Different Scanning Rates and Laser Powers

3.4 掃描速率和激光功率對(duì)重熔區(qū)尺寸的影響

不同掃描速率和激光功率下獲得的激光重熔區(qū)顯微圖，如圖4所示。當(dāng)激光功率不變時(shí)，隨著掃描速率的增大，重熔區(qū)的寬度逐漸變窄。當(dāng)掃描速率不變時(shí)，隨著激光功率的增加，重熔區(qū)逐漸變寬。這是因?yàn)楫?dāng)掃描速率較小，激光功率較大時(shí)，重熔區(qū)的激光輸入總能量就會(huì)越高，熔池的深度和熱影響區(qū)寬度就會(huì)越大；反之，則重熔區(qū)的激光輸入總能量就會(huì)越低，熔池的深度和熱影響區(qū)寬度就會(huì)越小。不同掃描速率和激光功率下獲得的激光重熔區(qū)深度和寬度變化曲線，如圖5所示。根據(jù)圖5（a）可知，當(dāng)掃描速率10mm/s，激光功率400W時(shí)，重熔區(qū)的深度為337.3μm，寬度為817.2μm，滿足預(yù)期要求。而掃描速率10mm/s，激光功率500W時(shí)，重熔區(qū)的深度達(dá)到413.3μm，寬度達(dá)到1035.7μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)期目標(biāo)。

圖4 不同掃描速度和激光功率下制備的條紋重熔區(qū)顯微照片F(xiàn)ig.4 Micrograph of Stripe Remelting Zone Prepared at Different Scanning Rate and Laser Power

圖5 不同掃描速度和不同激光功率下重熔區(qū)的尺寸比較Fig.5 Size Comparison of Remelted Zone under Different Scanning Rate and Different Laser Power

4 結(jié)論

通過在70Mn 表面制備“條紋型”重熔單元，研究了氬氣保護(hù)、掃描速率和激光功率等工藝參數(shù)對(duì)重熔表面和重熔區(qū)尺寸的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）氬氣保護(hù)環(huán)境下，重熔條紋表面呈均勻、連續(xù)的魚鱗狀，條紋兩側(cè)的黑色氧化區(qū)域較大氣環(huán)境下更窄，凸起的高度也更小。此外，大氣環(huán)境下的條紋表面還存在材料的飛濺現(xiàn)象。（2）當(dāng)激光功率不變時(shí)，隨著掃描速率的增大，重熔區(qū)的寬度逐漸變窄；當(dāng)掃描速率不變時(shí)，隨著激光功率的增加，重熔區(qū)逐漸變寬。（3）當(dāng)掃描速率10mm/s，激光功率400W時(shí)，重熔區(qū)的深度為337.3μm，寬度為817.2μm，滿足預(yù)期要求。這為后續(xù)70Mn鋼表面激光重熔后機(jī)械與摩擦性能的研究提供了工藝支撐。