球墨鑄鐵表面激光重熔工藝

1、上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗?zāi)?錄摘 要1ABSTRACT21 緒論11.1 球墨鑄鐵11.1.1 球墨鑄鐵的發(fā)展21.1.2 球墨鑄鐵的分類41.1.3 球墨鑄鐵的基體組織61.1.4 球墨鑄鐵的機(jī)械性能81.1.5 球墨鑄鐵表面改性101.2 激光重熔技術(shù)111.2.1 激光重熔的特點121.2.2 激光重熔工藝參數(shù)的選擇141.2.4 激光重熔技術(shù)工業(yè)應(yīng)用實例151.3 實驗的目的和意義152 實驗材料及方法162.1 實驗材料162.2 實驗儀器172.3 實驗過程172.3.1 線切割172.3.2 激光重熔172.3.3 鑲嵌192.3.4 預(yù)磨與

2、拋光192.3.5 腐蝕202.4 宏觀形貌與顯微組織分析202.5 顯微硬度測試203 結(jié)果與分析213.1 激光重熔顯微組織金相分析213.2硬度分析28參考文獻(xiàn)32致 謝352摘 要球墨鑄鐵是一種高強(qiáng)度的鑄鐵材料，由于其應(yīng)用廣泛的機(jī)械性能、成本低廉、工藝簡單等優(yōu)點，球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為產(chǎn)量僅次于灰鑄鐵的鑄鐵材料。雖然球墨鑄鐵鑄件已經(jīng)在所有主要的工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，但是由于球墨鑄鐵的硬度較低，耐腐蝕性能亦較差等缺點，在很大程度上都限制了球墨鑄鐵的應(yīng)用，而對球墨鑄鐵表面進(jìn)行激光重熔工藝處理，可以有效提高球墨鑄鐵表面的硬度、耐腐蝕性和耐高溫性等，將大大擴(kuò)展球墨鑄鐵鑄件的應(yīng)用范圍，是一種有

3、著廣大前景的工藝。本文用功率為1500 W、2000 W和2500 W的光纖激光束（光斑直徑為5 mm×5 mm），以6 mm/s的掃描速度輻照珠光體球墨鑄鐵表面，然后用VHX-600K型超景深三維數(shù)碼顯微分析儀觀察了激光輻照后珠光體球墨鑄鐵表面重熔層及熱影響區(qū)的微觀組織，用HXD-1000TM/LCD自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計測量了珠光體球墨鑄鐵表面激光重熔層橫截面的顯微硬度。經(jīng)過討論分析，得到如下結(jié)論：涂層中有大量的樹枝晶存在，不同激光功率下涂層組織的細(xì)化程度不同，功率越大，組織越細(xì)小，越均勻。熱影響區(qū)是一個漸變的區(qū)域，形成機(jī)理與易淬火鋼中的熱影響區(qū)類似，可分為淬火區(qū)，部分淬火區(qū)和回

4、火區(qū)。通過對顯微硬度的分析，得知在經(jīng)過激光重熔后，涂層的顯微硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材，而且在不同功率下，隨著功率的升高，涂層的硬度越高。涂層中石墨的存在是由于凝固速度過快，少量石墨未能逸出。關(guān)鍵詞：表面改性，球墨鑄鐵，激光重熔，熱影響區(qū)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球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗1 緒論20世紀(jì)中葉，人們成功開發(fā)了球墨鑄鐵，由于球墨鑄鐵的強(qiáng)度和塑性與常規(guī)鋼材相當(dāng)，具有良好的綜合力學(xué)性能，而且生產(chǎn)工藝簡便、耐磨性能優(yōu)良、成本低廉，因此作為工程材料在車輛、交通、橋梁、機(jī)械等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。相對于幾乎沒有塑韌性的灰鑄鐵，球墨鑄鐵與鋼相當(dāng)?shù)乃茼g性，使其具有強(qiáng)烈的市場競爭力和巨大的應(yīng)用潛力。人們所謂的“以鐵代鋼”就是指用球墨鑄鐵代替碳素鋼（鐵

12、就是球墨鑄鐵，鋼主要指碳素鋼）。人們常常通過表面工程技術(shù)對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化，以達(dá)到改善工件的表面性能，節(jié)約成本，延長使用壽命的目的。目前，常用的表面改性技術(shù)有化學(xué)熱處理、堆焊、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂和等離子噴涂、激光表面加工等。激光表面加工技術(shù)有激光相變硬化、激光熔覆、激光沖擊硬化、激光合金化、激光重熔等。其中激光重熔也稱激光熔凝，是利用激光束輻射工件表面形成激光熔池，激光束離開后熔池區(qū)高速冷卻凝固，可以獲得較為細(xì)小均勻的組織1。球墨鑄鐵表面激光重熔工藝就是利用激光熔池體積小，熔凝速度快和非接觸非真空加工的特點，在球墨鑄鐵表面通過激光輻射制備冶金結(jié)合的強(qiáng)化層，提高球墨鑄鐵表面的硬度和耐磨性，從而

13、改善材料的表面使用性能2。1.1 球墨鑄鐵球墨鑄鐵與灰鑄鐵之間的區(qū)別在于兩者金相組織中石墨的形態(tài)不同。球墨鑄鐵中石墨主要以球狀存在，而灰鑄鐵中石墨的形態(tài)主要為層片狀3。往鐵水中添加適量的球化劑（Mg、稀土、稀土鎂等常被用作球化劑）和孕育劑（硅-鐵、硅-鈣合金為常用的孕育劑），配合恰當(dāng)?shù)那蚧杏夹g(shù)，改變碳元素的生長方式，使碳形核長大，變?yōu)榍驙钍ㄟ^這樣的方式會得到含有球狀石墨的鑄鐵，這樣的鑄鐵被成為現(xiàn)代球墨鑄鐵?，F(xiàn)代球墨鑄鐵中的石墨變?yōu)榱饲驙钍?，與原來相比，其機(jī)械性能如硬度、韌性、耐磨性等都顯著提高4。表1.1為球墨鑄鐵的化學(xué)成分。球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，使其避免了灰鑄鐵中片狀石墨的存在

14、，消除了片狀石墨尖銳端部的應(yīng)力集中效應(yīng)，石墨對金屬基體的切口作用顯著降低5。由于球墨鑄鐵中球狀石墨的應(yīng)力集中效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于灰鑄鐵中片狀石墨的應(yīng)力集中效應(yīng)，因此可以充分發(fā)揮基體金屬材料的塑形和韌性,也使得球墨鑄鐵可以像鋼材一樣，應(yīng)用各種熱處理工藝調(diào)整微觀組織，改善使用性能6。表1.1 球墨鑄鐵的化學(xué)成分成分含量（wt.%）C3.5-3.8Si2-3Mn0.5-0.7P0.08S0.021.1.1 球墨鑄鐵的發(fā)展（1）國外發(fā)展概況7-8上世紀(jì)二十年代末，英國的Morrgoh先是發(fā)現(xiàn)了鑄鐵中的球狀石墨，并于一年之后順利研制出獲得球墨鑄鐵的方法，他的方法是通過在灰鑄鐵（該灰鑄鐵中硫、磷含量較低，碳含量較

15、高）中加入Ce，并保證Ce的含量必須維持在0.02%以上。上世紀(jì)三十年代中期，位于德國的阿漢鑄造研究所成功研制出了如何在低碳高硅的鑄鐵中獲得球狀石墨的方法。在石墨片細(xì)化研究這一領(lǐng)域，獲得專利權(quán)的米漢認(rèn)為，若想得到符合性能要求的鑄鐵，活性元素必須添加，且添加量一定要充足。1941年，Meehanite公司發(fā)表了研究成果：在鐵水中添加硅-鈣合金用作石墨化元素，之后再使用碲元素等作為反石墨化元素，通過這種方式，最終得到的石墨就是球狀石墨。1943年4月12日，美國國際鎳公司（簡稱INCO）的科研員K. D. Millis成功獲得了現(xiàn)代球磨鑄鐵的制備方法。K. D. Millis研究出的工藝是：先將鎳

16、硬鑄鐵（鎳硬鑄鐵的化學(xué)成分如表1.2所示）熔化，變?yōu)殍F水，再分別向鐵水中加入Zr、Ce、Bi、Cu+Pb、0.5%Mg，最后澆注成激冷試塊。實驗結(jié)果表明，添加了Mg的試塊不僅促進(jìn)了碳化物的形成，更增加了鎳硬鑄鐵的韌性。數(shù)月之后，K. D. Millis對實驗進(jìn)行了改進(jìn)，先在試塊中添Mg，再將硅-鐵合金作為孕育劑，最后對試樣進(jìn)行力學(xué)性能實驗和金相實驗，在試樣中發(fā)現(xiàn)了球狀石墨，而且試樣具有優(yōu)異的力學(xué)性能。Gangnebin等人于1948年5月7日發(fā)表了一篇論文。該論文指出，可以通過先在鐵水中加入鎂，之后用硅-鐵作為孕育劑，對鐵水進(jìn)行孕育處理，最后在保證鎂的百分比含量不低于0.04時就能得到球狀石墨

17、。他們將鎳鎂合金加入到鐵液中的這一研究成果，在那時是一項技術(shù)上的重大突破，也正是由于這一重大進(jìn)展，使大規(guī)模生產(chǎn)球墨鑄鐵成為了可能9。此后，球墨鑄鐵無論是在制造、應(yīng)用或是在研究方面，都進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。表1.2 鎳硬鑄鐵化學(xué)成分含量表成分含量（%）C3.35Si0.50Mn0.50Ni4.5Cr1.5（2）國內(nèi)發(fā)展概況10相比于其他國家，我國在球墨鑄鐵領(lǐng)域的研究歷史基本與世界發(fā)達(dá)國家同步，研究成果也處于世界較高水平，為球墨鑄鐵的研究、發(fā)展和應(yīng)用做出了巨大貢獻(xiàn)。當(dāng)前，我國也是球墨鑄鐵生產(chǎn)大國，從2004年起我國球墨鑄鐵的年產(chǎn)量就已超過500萬噸，位居世界第一。在1948年初，王遵明教授就進(jìn)行了

18、球墨鑄鐵的研究，并在1950成功開發(fā)了現(xiàn)代球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝之一的銅鎂合金沖入法11。在上世紀(jì)50年代后期，陳希圣教授在球墨鑄鐵研究方面進(jìn)行了具有國際水平的研究工作，并提出了“稀土鎂球墨鑄鐵的基本理論，基本技術(shù)研究項目”。之后以陳希圣教授為代表的一批學(xué)者分別開展了石墨形貌、球化理論和球墨鑄鐵性能這一系列的深入研究。上世紀(jì)六十年代，我國的眾多科研人員在經(jīng)過了大量的試驗研究后，最終在1964年宣布成功研制了稀土鎂球墨鑄鐵，這一發(fā)明大大改善了我國的球墨鑄鐵質(zhì)量問題，也帶動了我國球墨鑄鐵的發(fā)展。經(jīng)過數(shù)十年的不斷研究，我國通過對球墨鑄鐵的鑄造、熱處理工藝、基礎(chǔ)冶金學(xué)、動靜態(tài)力學(xué)性能及其影響因素、使用性能及

19、應(yīng)用范圍等做了大量工作，并取得卓越的成績，使我國球墨鑄鐵在生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域飛速發(fā)展。當(dāng)前，隨著能源工業(yè)、汽車行業(yè)、機(jī)床工業(yè)、航空航天、石化工業(yè)、海洋工程和核能工業(yè)等行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，對于球墨鑄鐵鑄件的性能要求將不斷提高，同時為了滿足這些各領(lǐng)域的要求，我國球墨鑄鐵在的研究也將會進(jìn)入一個嶄新的發(fā)展階段。1.1.2 球墨鑄鐵的分類根據(jù)球墨鑄鐵的基體組織，可將其分為四大類12：鐵素體球墨鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵、混合基球墨鑄鐵和等溫淬火球墨鑄鐵。圖1.1是鐵素體球墨鑄鐵的顯微組織，圖1.2是珠光體球墨鑄鐵的顯微組織，圖1.3是混合基體球墨鑄鐵的顯微組織。 圖1.1 鐵素體球墨鑄鐵金相組織圖圖1.2 珠光體球墨鑄

20、鐵金相組織圖1.3 混合基體球墨鑄鐵的金相組織圖1.4為我國2006年的球墨鑄鐵年產(chǎn)率。如圖1.1所示，鐵素體球墨鑄鐵的產(chǎn)量約占國內(nèi)球墨鑄鐵總產(chǎn)量的59%，混合基體球墨鑄鐵約占總產(chǎn)量的19%，珠光體球墨鑄鐵產(chǎn)量約占總量的16%，等溫淬火球墨鑄鐵占約6%。圖1.4 2006年國內(nèi)球墨鑄鐵年產(chǎn)率（1） 珠光體球墨鑄鐵：珠光體的含量不低于90%的一種球墨鑄鐵?？赏ㄟ^正火處理獲得，擁有較高的硬度，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在鑄鐵中球墨鑄鐵中首屈一指，缺點是伸長率較低。多應(yīng)用在柴油機(jī)曲軸、連桿等部件的制造中13。（2）鐵素體球墨鑄鐵：基體組織中以鐵素體為主，珠光體含量一般在10%以內(nèi)，的球墨鑄鐵被稱為鐵素體球墨

21、鑄鐵。可通過退貨處理獲得，擁有較高的塑性和沖擊韌性，不過強(qiáng)度較低。一些受力較大而又要求耐沖擊的零件上應(yīng)用較多，比如汽車底盤、農(nóng)機(jī)部件。（3）混合基體型球墨鑄鐵：以珠光體和鐵素體的混合組織作為基體的球墨鑄鐵。雖然在強(qiáng)度上低于珠光體球墨鑄鐵，延伸率上低于鐵素體球墨鑄鐵，但混合基體球墨鑄鐵有較好的強(qiáng)度和初性的配和，能克服鐵素體球墨鑄鐵硬度不足，珠光體球墨鑄鐵延伸率太低的缺點。（4）等溫淬火球墨鑄鐵：以下貝氏體為主的球墨鑄鐵，將鑄件加熱到840-900 ，使基體轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，再將奧氏體淬入250-350 的鹽浴中進(jìn)行等溫，最后取出空冷。擁有不錯的強(qiáng)度和伸長率，吸震性好。1.1.3 球墨鑄鐵的基體

22、組織14球墨鑄鐵的性能與其組織緊密相關(guān)。這些組織因素可以分為三方面：石墨球的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布；基體組織如鐵素體、珠光體、馬氏體和貝氏體等的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布；滲碳體與磷共晶的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布。表1.3列出了常用球墨鑄鐵的牌號及其主要基體組織和常見機(jī)械性能。球墨鑄鐵的組織為金屬基體和分布其中的球狀石墨，其中石墨球的體積一般約占全部體積的10%左右。因為石墨的強(qiáng)度、塑形和韌性基本為零，對于鑄鐵的力學(xué)性能來說，石墨相當(dāng)于基體組織中的孔隙，因而石墨對基體具有一定的割裂作用。顯然，當(dāng)石墨為球形時，應(yīng)力集中效應(yīng)最弱，對基體的割裂作用也最不明顯，因此球墨鑄鐵的機(jī)械性能與灰鑄鐵相比有很大的優(yōu)勢

23、。石墨的外廓接近球形，借助掃描電子顯微鏡、深腐燭、熱氧腐燭、離子侵蝕等技術(shù)手段，對球狀石墨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，如圖1.5所示，可以發(fā)現(xiàn)，石墨球體并非光潔的表面，在表面上可以看到一些凸起和凹槽。表1.3 常用球墨鑄鐵的牌號其主要基體組織和機(jī)械性能牌號主要基體組織屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）布氏硬度（HBW）伸長率（%）QT350-22L鐵素體22035016022QT350-22R鐵素體22035016022QT350-22鐵素體22035016022QT400-18L鐵素體240400120-17518QT400-18R鐵素體250400120-17518QT400-18鐵素體25

24、0400120-17518QT400-15鐵素體250400120-18015QT450-10鐵素體300450160-21010QT500-7鐵素體+珠光體320500170-2307QT500-5鐵素體+珠光體350550180-2505QT600-3珠光體+鐵素體370600190-2703QT700-2珠光體420700225-3052圖1.5 球狀石墨形貌一般情況下，球墨鑄鐵的常規(guī)基體組織為鐵素體+珠光體的混合組織，很少為單一的基體組織形態(tài)。若想獲得單一的球墨鑄鐵鑄態(tài)組織，并獲得組織單一的鑄件，可以通過控制工藝條件，比如加入某些合金組織、熱處理等方式，以達(dá)到改變各組織間含量比的目15

25、。球墨鑄鐵中的鐵素體可分為不同的兩種形態(tài)，環(huán)狀鐵素體和塊或網(wǎng)狀鐵素體。如圖1.6所示，其中環(huán)狀鐵素體是由于在凝固過程中，球狀石墨周圍由于擴(kuò)散作用，碳元素吸附在石墨球表面形成低碳區(qū)，從而形成環(huán)繞石墨球的鐵素體，也就是俗稱的“牛眼”，而塊或網(wǎng)狀的鐵素體分布在珠光團(tuán)中間。圖1.6 鐵素體組織金相照片在實際生產(chǎn)條件下，由于極低的碳當(dāng)量、孕育不充分或其他影響因素，基體組織中會有共晶滲碳體出現(xiàn)。在不同的過冷度下，鐵水連續(xù)地分別進(jìn)行亞穩(wěn)定和穩(wěn)定共晶反應(yīng)形成滲碳體與石墨和珠光體共存的組織。這些組織以條塊狀、魚骨狀等各種形態(tài)存在。球墨鑄鐵中微量合金元素的存在，使得鑄件中的鐵素體、珠光體等組織發(fā)生改變。1.1.4

26、 球墨鑄鐵的機(jī)械性能球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)1500 MPa以上，伸長率從1%到20%不等，屈服強(qiáng)度最高為600 MPa、抗壓強(qiáng)度能達(dá)到1400 MPa。表1.4列出了球墨鑄鐵與其它鑄鐵或鋼鐵材料的機(jī)械性能。通過表1.4中的數(shù)據(jù)比對情況可以看出，球墨鑄鐵的強(qiáng)度與普通的灰鑄鐵相比更加優(yōu)秀。它的吸震性、耐磨性不但都優(yōu)于碳鋼，甚至還優(yōu)于一些合金鋼。球墨鑄鐵的靜載荷性能雖然低于碳鋼但也相差極小，缺口敏感性更是低于鋼9。表1.4 球墨鑄鐵與其他鋼鐵材料機(jī)械性能的對比材料種類抗拉強(qiáng)度（MPa）屈服強(qiáng)度（MPa）抗壓強(qiáng)度（MPa）彎曲疲勞（MPa）彎曲沖擊值（MPa）延伸率（%）硬度（HB）鑄態(tài)球鐵500

27、-1600400-600850-1250250-300351-6220-280退火球鐵400-550350-450-150-200558-24140-180灰鐵（片狀石墨）220-900-100050-1005-180高級鑄鐵（細(xì)片狀石墨）300-450-1000-1400-5-15-225可鍛鑄鐵（團(tuán)絮狀石墨）370-600190-310350-600140-20050-1702-10110-150鑄鋼（正火）380-600180-280350-550130-150400-2008-20140-170結(jié)構(gòu)鋼（St.52）520-640340380-600300-32050-20018-221

28、40-17040Cr850-1100650-700-340-38080-1308-20240-29018CrMoTi1000-1200800-950-55080-15010-17310-350從耐磨性上來說，球墨鑄鐵是一種良好的耐磨和減磨材料。由于金相組織中含有較多的球狀石墨，使它的耐磨性優(yōu)于同樣基體的灰鑄鐵、碳鋼以及低合金鋼。石墨本身就是一種良好的潤滑劑，受到摩擦?xí)r，石墨會從基體上滑落，減小摩擦力，起到了良好的潤滑作用，因此大大減輕了材料的磨損。同時，石墨脫落掉后，形成微觀小凹坑，儲存了足夠的潤滑油，也大大減輕了材料的磨損16-17。球墨鑄鐵優(yōu)良的耐磨性使其適合用來制造對耐磨性要求較高的鑄件

29、，如一些小功率內(nèi)燃機(jī)的曲軸、齒輪等，相比于用45號正火鍛鋼制造的鑄件，用球墨鑄鐵制造的在耐磨性下強(qiáng)上許多；用球墨鑄鐵代替空壓機(jī)內(nèi)的鋁合金，兩者的使用壽命基本相同，但價格卻下降很多，存在很明顯的經(jīng)濟(jì)效益。球墨鑄鐵具備良好的抗氧化性，而球墨鑄鐵抗氧化性的優(yōu)良主要體現(xiàn)在兩個方面，一是化學(xué)成分，二是石墨形態(tài)。從化學(xué)成分上說，球墨鑄鐵的抗氧化性于影響氧化性的合金元素息息相關(guān)，因為不同的合金元素決定了次氧化層的成分與結(jié)構(gòu)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，可以通過增加硅含量和鉻含量提高球墨鑄鐵的抗氧化性能，因為硅和鉻可以形成連續(xù)致密的氧化膜覆蓋在材料的表面。由于石墨的存在，鑄鐵的氧化過程同鋼相比是一個更加復(fù)雜的過程。石墨形態(tài)

30、對鑄鐵抗氧化性有一定的影響，而且不同形態(tài)的石墨，導(dǎo)致發(fā)生氧化時的過程也不同。與灰鑄鐵中石墨為層片狀不同，球墨鑄鐵中的石墨是分散開的，氧在高溫下易發(fā)生擴(kuò)散，而分散開的石墨會阻止這一過程，因此球墨鑄鐵的抗氧化性將優(yōu)于灰鑄鐵18-19。1.1.5 球墨鑄鐵表面改性（1）激光表面熔凝處理激光表面熔凝處理是以高能激光束在材料表面連續(xù)掃描，使表面快速熔化，同時組織很高的溫度梯度下，使熔池快速冷卻、凝固，從而使材料表面產(chǎn)生一種具有特殊結(jié)構(gòu)的涂層。該涂層既能增強(qiáng)材料表面的機(jī)械性能，對材料本身的性能又不會造成影響，而且對于尺寸不大、擁有特殊幾何形狀零件，如果使用其它的涂層方式，很容易對零件的尺寸形狀造成影響，然

31、而采用激光表明熔凝處理技術(shù)對零件幾乎不會有尺寸上的變化，這一些列優(yōu)點使得激光表面熔凝技術(shù)相比傳統(tǒng)的涂層加工技術(shù)擁有更大的優(yōu)勢25。例如對球墨鑄鐵表面進(jìn)行激光熔凝處理，可以在球墨鑄鐵表面得到一層具有高硬度，高耐磨性的涂層，同時使球墨鑄鐵保持原有的韌性20。（2）激光相變硬化激光相變硬化基本原理使通過高能激光束照射到材料表面，表層材料會受到激光輻射的作用，將輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，溫度快速升高，達(dá)到到奧氏體相變點溫度以上、但不超過熔點的溫度，當(dāng)激光束移開后，由于材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)快，材料的表面迅速冷卻，這樣就可以使表層材料以超過馬氏體相變臨界速度，將其迅速冷卻到馬氏體相變點以下，從而獲得淬硬層的技術(shù)，完成

32、相變硬化。該技術(shù)主要應(yīng)用于鐵基材料，對球墨鑄鐵鑄鐵模具和零件表面進(jìn)行激光想變硬化，可以形成較硬的耐磨涂層21。激光硬化的主要優(yōu)勢有：加工過程一般不需要使用外部冷卻液容易實現(xiàn)對過程監(jiān)控和控制被加工的零件產(chǎn)生的形變較小容易與柔性較高的自動化過程集成對零件的部分表面進(jìn)行硬化以及形成硬化花樣（3）激光熔覆激光熔覆是利用高能密度的激光束，將通過輸送裝置的金屬粉末或事先預(yù)置于基體上的涂層熔化，在基體上形成熔池，在光束通過后，熔化金屬( 包括涂層材料和部分基體材料) 快速凝固后與基體進(jìn)行冶金結(jié)合，形成單道熔覆，并通過多道搭接，在基體上建立一定體積范圍的熔覆層。由于只在基體表面熔覆很薄的一層涂層，就能達(dá)到在低

33、成本鋼板上制成高性能表面的目的，從而代替了用貴重、稀有金屬材料制作的高級合金，降低了能源和資源消耗。因為基體材料的良好的導(dǎo)熱性能，從而產(chǎn)生極高的冷卻速度，使熔覆層快速凝固結(jié)晶。不但產(chǎn)生高結(jié)合強(qiáng)度冶金結(jié)合，而且還獲得均勻細(xì)小的顯微組織，由此獲得具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨、耐蝕性能的表面22-24。（4）納米復(fù)合涂層處理納米復(fù)合涂層處理是在在球墨鑄鐵件表面涂覆一層含有納米材料的復(fù)合涂層，復(fù)合涂層具有較強(qiáng)的耐磨性和潤滑性，同時還具有高韌性、高熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，而且由于涂層為多層復(fù)合，也就使得涂層與基體間具有良好的結(jié)合力，大大提升了零件的疲勞抗力，還能使球墨鑄鐵件表面同時具有復(fù)合涂層的力學(xué)性能與納

34、米材料的優(yōu)異特性，也大大延長了零件的使用壽命。目前添加的納米顆粒主要是納米碳化物、納米氮化物、納米氧化物、納米金屬、納米合金等25。1.2 激光重熔技術(shù)上世紀(jì)60年代，激光表面改性技術(shù)作為一種高新技術(shù)出現(xiàn)，并很快投入應(yīng)用。這是一項將現(xiàn)代物理學(xué)、計算機(jī)、材料科學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)等方面的成果和知識進(jìn)行有機(jī)結(jié)合后，逐漸成型的技術(shù)。通過對金屬表面進(jìn)行激光改性技術(shù)，對于材料表面的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性和耐高溫性等，都有顯著提高，因此材料表面改性技術(shù)能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，極大延長產(chǎn)品的使用壽命，降低產(chǎn)品的成本，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，再加上激光器本身所具有的發(fā)展?jié)摿Γ乖摷夹g(shù)發(fā)展成為“光加工”時代的標(biāo)志性

35、技術(shù)26。激光表明改性主要以高能激光束為熱源，利用激光具有的高亮度、高方向性和高單色性的特點，作用在金屬或非金屬材料上，金屬表層和所吸收的激光的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料溫度升高、表面熔化或汽化，以實現(xiàn)各種加工27。激光表面改性方法很多，不同的激光表面改性技術(shù)，對于材料表面的改性結(jié)果也不同，針對材料表面性能要求的不同，可以選擇不同的激光表面改性技術(shù)。將金屬表面的激光改性方法進(jìn)行分類，如圖 1.6 所示，可以分為激光表面重熔(LSM)、激光表面熔覆(LSC)、激光表面合金化(LSA)和激光相變硬化(LTH)28。圖1.7 激光表面改性處理方法分類當(dāng)前，激光表面重熔技術(shù)是一項已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)。

36、激光重熔過程是熔化、結(jié)晶的過程，其結(jié)晶過程依從于快速熔凝的基本理論，主要是界面穩(wěn)定性理論和成份過冷理論及絕對穩(wěn)定性理論。它的工作原理是將具有較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輻射能，并將其轉(zhuǎn)換為熱能，在極短的時間內(nèi)使一定厚度的表層快速熔化并形成熔池，在移開激光束后，又在基體材料的熱傳導(dǎo)能力，進(jìn)行快速冷卻快速冷卻，使熔池溫度極速降低并快速凝固，獲得具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的組織，以達(dá)到材料表面改性的效果。圖1.8為激光重熔物理模型。1.2.1 激光重熔的特點激光表面重熔是采用激光照射在金屬表面，使表面發(fā)生熔化，形成熔池，隨后快速冷凝，在金屬表面形成一層均質(zhì)的組織。使金屬表面有一

37、層擁有高硬度、韌性好、耐高溫、高耐磨性、高抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點的涂層。激光重熔技術(shù)與其他技術(shù)相比擁有鮮明的技術(shù)特點29。圖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將焊材轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匾簯B(tài)的形式，再將其遷移到電弧熔池中，因此對熔池的保護(hù)要求更低，速度也更快。由于相比電鍍或化學(xué)鍍，激光重熔技術(shù)更加環(huán)保，對環(huán)境污染極小，而且由于不需要進(jìn)行防污染處理，有利于環(huán)境保護(hù)，還可降低成本。相比與熱噴涂、等離子體噴涂等噴涂技術(shù)，激光重熔技術(shù)在加工過程中大大降低了噪音污染，制備出的涂層孔隙率低，而且對于基底的影響較小，幾乎不影響基體的組織。相對于表面滲氮，滲碳，滲硼等化學(xué)熱處理技術(shù)，激光重熔技術(shù)不需要將

38、基底加熱到高溫并長時間保溫，生產(chǎn)工藝上更為簡單，而且速度更快。相對于激光熔覆技術(shù)，激光重熔技術(shù)不需要在材料表面添加其他金屬粉末，重熔層既能于基體材料會形成天然的冶金結(jié)合。由于激光重熔過程中無論是激光加熱速度，還是冷卻速度都極快，導(dǎo)致其熔化層較薄，熱作用區(qū)小，工件變形小。因此適用于各種復(fù)雜類型零部件。對材料表面性能的優(yōu)化效果顯著，可制備擁有特殊組織性能的涂層，增強(qiáng)材料表面的硬度，耐磨性，抗腐蝕性等。1.2.2 激光重熔工藝參數(shù)的選擇激光重熔工藝的效果與工藝參數(shù)息息相關(guān)，激光重熔工藝參數(shù)的選擇也將直接影響到材料表面的性能。這些工藝參數(shù)主要有激光輸出功率、激光掃描速度和輻照在工件表面上的光斑尺寸大小

39、。而這些工藝參數(shù)之間的差異不僅決定熔凝層的深度，而且還影響加熱、冷卻和凝固速度。下面主要對激光表面重熔過程中的激光器輸出功率、掃描速度、光斑尺寸大小等工藝參數(shù)的選擇和確定等進(jìn)行簡單的分析和介紹。（1）激光功率激光功率是指激光器輸出激光的平均功率。在激光重熔過程中，激光功率的參數(shù)極為重要。它不光是對表面形貌的顯微起伏影響最大的因素，同時，它也影響著激光重熔區(qū)的熔池深度和重熔過程中微觀組織的變化。當(dāng)其余工藝參數(shù)恒定時，隨著激光功率的增大，獲得的重熔層的厚度也越大；在重熔層深度一定的情況，激光功率越高，重熔區(qū)的面積也就越大。（2）掃描速度掃描速度主要影響激光束對工件表面的輻照時間。掃描速度不同的情況

40、下，單位時間內(nèi)的熱輸入能量也不同，不同的掃描速度對重熔層組織的冷卻速度會造成影響。當(dāng)其余工藝參數(shù)恒定時，掃描速度越快，激光束在材料表面的作用時間就越短，從而使材料表面吸收的熱量越少，溫度越低，得到的重熔層面積與深度都越小。而且采用掃描速度越低，獲得的表面形貌越好。（3）光斑尺寸光斑尺寸主要影響重熔層帶寬，當(dāng)其余工藝參數(shù)恒定時，光斑尺寸越大，功率密度越低，重熔層越淺。在光斑尺寸確定時，工件表面所處的位置對于重熔層的質(zhì)量也會造成一定影響，可以選擇焦點的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，為了擁有更好的重熔層，一般選擇將材料表面置于焦點外側(cè)。激光重熔試驗時，選擇合適的工藝參數(shù)是一個既復(fù)雜又重要的過程，這一過程需要經(jīng)過多方面

41、的研究與討論。當(dāng)試驗之前要選擇合適的激光重熔工藝參數(shù)時，首先要研究與分析被處理工件的性能、組織、所需材料的應(yīng)用領(lǐng)域、質(zhì)量要求等，計算出重熔層的深度，寬度以及各種機(jī)械性能，并以此決定重熔時的工藝參數(shù)。之后進(jìn)行一定的實驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行對比，還要考慮工藝的難易程度，生產(chǎn)成本，最終選擇出最理想的工藝參數(shù)30。1.2.3 激光重熔的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向31-32相比于激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化等耳熟能詳?shù)募す獗砻娓男约夹g(shù)，激光重熔技術(shù)顯得默默無名，事實上激光重熔這個概念直到前些年才被提出。過去的數(shù)十年中，激光重熔一直作為激光熔覆的附庸，作為激光熔覆技術(shù)的一種，直到現(xiàn)在，大量的有關(guān)激光技術(shù)的書籍中

42、也很少有激光重熔這個概念，大多都被稱為預(yù)置式的激光熔覆。由于激光重熔技術(shù)在目前的實驗條件并不算特別成熟，而且對該技術(shù)的影響因素較多，所以激光重熔技術(shù)在近年來的發(fā)展雖然很快，但各種殘留的問題也限制了重熔技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，對此，經(jīng)過研究與探討，對激光重熔技術(shù)今后的發(fā)展方向總結(jié)出了以下兩個方面。 （1） 涂層的開裂傾向激光重熔技術(shù)在使用時會涉及到物理、化學(xué)和冶金等方面的知識，這種技術(shù)對于裂紋有很強(qiáng)的敏感性，當(dāng)前已經(jīng)有許多的科學(xué)家對該方面進(jìn)行了研究。只有對激光重熔工藝過程有正確的認(rèn)識和理解，我們才能通過通過合理的工藝參數(shù)與的工藝控制，以避免重熔層裂紋的產(chǎn)生，使激光重熔的應(yīng)用范圍更加廣泛。（2）激

43、光器的工藝穩(wěn)定性目前激光器雖然技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，但在實際生產(chǎn)中仍存在部分問題，例如激光器輸出功率不穩(wěn)定、多道搭接中任兩道重熔間隔時間不易控制、工作臺操作比較麻煩，以及光斑直徑的測量存在一定的偶然性等問題33-34。 1.2.4 激光重熔技術(shù)工業(yè)應(yīng)用實例由于大功率CO2激光器的出現(xiàn)，使得激光技術(shù)在表面處理方面上擁有了廣大前景，涉及了多項領(lǐng)域，包括冶金、機(jī)械、汽車、航天、石油等重要行業(yè)，既能對社會發(fā)展產(chǎn)生促進(jìn)作用，又能帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在汽車領(lǐng)域，生產(chǎn)汽車時需要制造大量的鑄鐵凸輪軸。通過鑄造技術(shù)產(chǎn)生的零件一般很少會再進(jìn)行加工，為近終型零件。而且以鑄鐵所擁有的強(qiáng)度與韌性都能夠滿足凸輪軸的技術(shù)要求，但是在

44、單個的凸輪與凸輪副的接觸中，會有較大的摩擦，這就需要鑄件表面要有較強(qiáng)的耐磨性。工業(yè)上可以通過激光重熔表面改性技術(shù)來提高鑄鐵表面的耐磨性。具體的工藝操作為：采用一個與凸輪相適應(yīng)的聚焦線，只要在經(jīng)過一道激光掃描就可以完成工藝操作。與傳統(tǒng)的河流花樣掃描的凸輪相比，這樣既不會在鑄鐵凸輪軸生產(chǎn)期間，消耗太多的額外時間，延長工期，又能得到滿足工業(yè)生產(chǎn)的性能且更佳鑄件凸輪軸35。1.3 實驗的目的和意義當(dāng)前球墨鑄鐵雖然由于自身良好的機(jī)械性能，其應(yīng)用范圍已經(jīng)十分廣泛，但由于許多領(lǐng)域都要求工件表面要具有高硬度、耐磨性、耐高溫等性能，如一些閥門的閥座、大型機(jī)床的導(dǎo)軌等，這些要求一定程度上限制了球墨鑄鐵的應(yīng)用范圍。

45、而激光重熔工藝處理可以改善球墨鑄鐵的表面性能，激光重熔可以在球墨鑄鐵表面獲得高硬度、高耐磨性和高溫性能的改性層，因此對這類工件進(jìn)行激光重熔處理，獲得具有所需性能的球墨鑄鐵材料，便具有重要的實際意義。例如白口鑄鐵具有較高的硬度和耐磨性，但由于它的脆性大，使其在應(yīng)用上具有極大的限制，而球墨鑄鐵具有足夠的韌度、良好的鑄造成型性，再經(jīng)過激光重熔后又能獲得高硬度與高耐磨性的表層，這一技術(shù)大大拓寬了球墨鑄鐵鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域36。2 實驗材料及方法2.1 實驗材料實驗用主要材料為珠光體基底球墨鑄鐵，直徑50 mm，厚度10 mm。圖2.1為試樣的金相組織。圖2.1 球墨鑄鐵金相組織2.2 實驗儀器本文實驗所用

46、的儀器中恒溫干燥箱、研磨罐和超聲波清洗機(jī)是在激光重熔前使用的儀器，YLS-5000型光纖激光器進(jìn)行激光重熔，DK7763型電火花數(shù)控線切割機(jī)床對試樣進(jìn)行線切割，鑲嵌機(jī)、金相試樣預(yù)磨機(jī)和拋光機(jī)是在線切割之后使用的，HXD-1000TM/LCD自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計和VHX-600K超景深三維數(shù)碼顯微分析儀的作用是最后對試樣進(jìn)行性能測試和分析。2.3 實驗過程2.3.1 線切割第一臺線切割機(jī)是前蘇聯(lián)發(fā)明的，然后我國迅速地將其運用到工業(yè)生產(chǎn)中。本實驗的樣品采用電火花線切割機(jī)，基本原理就是利用自有正離子和電子在電場中積聚，迅速形成一個被電離的導(dǎo)電路，因此在在兩板之間形成電流。很快形成的等離子區(qū)域?qū)⒉牧?/p>

47、瞬間加熱到8000-12000 ，使得材料汽化，形成一個氣泡，引起其內(nèi)爆，從而產(chǎn)生動力把液化的從而實現(xiàn)切割。這些過程的實現(xiàn)都是在NC控制和監(jiān)測下完成的。其工作原理就是將電極絲按照預(yù)定的編程路線，經(jīng)過電火花放點完成切割，其中脈沖電源接工件，另一極接電極絲。切割時需要不斷的冷卻液進(jìn)行冷卻37-38。用線切割機(jī)將鑄鐵棒材切割為直徑50 mm、厚度10 mm的片狀。2.3.2 激光重熔本次實驗用的激光器是光纖激光器，這是一種以光纖作為工作介質(zhì)的激光器。其中的光纖是摻雜了稀土元素的增益光纖，長度從數(shù)十米到數(shù)百米不等。光纖激光器主要由三大部分組成：增益介質(zhì)、光學(xué)諧振腔和泵浦源。其中增益介質(zhì)的作用是產(chǎn)生光子

48、，光學(xué)諧振腔會對光子進(jìn)行反饋并使光子在增益介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大，泵浦源的功能則是對光躍遷進(jìn)行激勵作用，光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)與固體激光器幾乎一致39。光纖激光器也分為多種類型，有染料光纖激光器、稀土元素?fù)诫s光纖激光器、和非線性光纖激光器等。光纖激光器的輸出波段范圍可從最低為400毫米，最高可達(dá)3400毫米，可用于光纖通訊，光譜研究與測量、存儲及工業(yè)加工等方面。目前國際上商業(yè)化的光纖激光器波長以從原來的800納米拓寬到了如今的超過2000納米，輸出連續(xù)光功率更是從幾百毫瓦提升到了數(shù)千瓦量級40。光纖激光器的優(yōu)點：（1） 相比于其他激光器龐大的體積，光纖激光器可以稱得上使小巧玲瓏，非常輕便。（2） 擁

49、有積木式的現(xiàn)代光纖激光概念（3） 光纖激光器的成本與等效的傳統(tǒng)激光器相比更低，性價比更高。激光重熔前先清洗待加工樣品（去污劑浸泡，鋼絲刷擦拭，自來水沖洗，無水乙醇浸泡超聲波清洗），烘干后用砂紙打磨樣品，去除待加工樣品表面的銹化層，烘干備用。利用最大輸出功率為5000 W的光纖激光器進(jìn)行激光重熔，通過調(diào)節(jié)激光功率調(diào)節(jié)器可以設(shè)置不同的功率，本文主要研究激光功率對球墨鑄鐵表面激光重熔層質(zhì)量、微觀組織和性能的影響，實驗所用激光功率分別為1500 W、2000 W和2500 W，其余工藝參數(shù)激光掃描速度固定為6 mm/s，激光束固定為5 mm×5 mm的矩形光斑，離焦固定為55 mm，如表2.

50、1所示。激光重熔過程中，為了保護(hù)熔池不與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從側(cè)面向熔池吹送惰性氣體氬氣。表2.1 激光重熔工藝參數(shù)試樣編號激光功率掃描速度光斑大小11500 W6 mm/s5 mm×5 mm22000 W6 mm/s5 mm×5 mm32500 W6 mm/s5 mm×5 mm圖2.2 YLS-5000型光纖激光器激光重熔之后，再次進(jìn)行線切割，將直徑50 mm，高度10 mm的珠光體基底球墨鑄鐵重熔樣品，用電火花線切割機(jī)沿熔道方向切割為合適的尺寸。2.3.3 鑲嵌由于本實驗使用的樣品較小，為了之后的磨制、拋光及各項實驗步驟能更加方便等，首先對三個樣品分別進(jìn)行鑲嵌。

51、2.3.4 預(yù)磨與拋光（1）粗磨：很明顯，粗磨的目的是大致去除樣品的表面雜物，在已經(jīng)將樣品封裝好之后，我們就要進(jìn)行這樣一個必要的過程，以便后續(xù)的細(xì)磨更好地進(jìn)行。粗磨是一個非常必要的過程，一方面能夠去除樣品表面不必要的部分，如氧化層，臟物等，保證得到想要的金相觀察的部分，另外也未后續(xù)的細(xì)磨奠定了基礎(chǔ)，很大程度上使得樣品表面更加平整和光滑，基本去除較大的劃痕等不必要的痕跡，減少表面損傷。（2）細(xì)磨：經(jīng)過粗磨的樣品，細(xì)磨時非常必要的一個階段，在經(jīng)過細(xì)磨之后，樣品表面更加光滑，從而有利于后續(xù)的拋光。細(xì)磨需要使用多種型號的砂紙，金相砂紙的磨料主要為氧化鋁，一般采用水作為潤滑劑進(jìn)行機(jī)械濕磨。本實驗這一次采

52、用150 #，400 #，600 #，1200 #的砂紙進(jìn)行細(xì)磨。在細(xì)磨過程中，需要掌握一定的要點才能得到理想的光滑表面。首先在預(yù)磨機(jī)上，鋪好相應(yīng)型號的砂紙，然后打開自來水做為潤滑劑，同時水也作為散熱介質(zhì)，防止樣品組織發(fā)生變化。手要平穩(wěn)地拿好樣品，然后輕輕接觸砂紙，平穩(wěn)均勻地用力，力不能過大也不能過小，選擇好樣品放置方向，且不宜變換方向，當(dāng)然也可以做適當(dāng)調(diào)整。這樣才能實現(xiàn)最佳的細(xì)磨效果，否則容易使得樣品表面不光滑有劃痕而且面不平整。（3）拋光：拋光的目的是為了得到更加光亮的表面，基本使其偉鏡面，基本消除了劃痕等，以便進(jìn)行后續(xù)的金相觀察等。為了提高效率，有一定基礎(chǔ)的實驗從事人員都知道拋光的目的是

53、盡快去除細(xì)磨產(chǎn)生的損傷層，但又不能產(chǎn)生硬化層，否則就會失敗，所以，拋光的重中之重還是得到最高的拋光速率。因此有粗拋和細(xì)拋的區(qū)別?，F(xiàn)在使用的拋光劑大多數(shù)都是金剛石磨料，金剛石具有非常小得顆粒，且表面變形層小，具有較好的拋光質(zhì)量。本實驗使用的是直徑為0.25 m的金剛石拋光劑，拋光機(jī)轉(zhuǎn)速為250-300 r/min。2.3.5 腐蝕對樣品表面進(jìn)行腐蝕，是為了能在之后的顯微組織觀察中，清晰的看到樣品的顯微組織，本次實驗用的是化學(xué)腐蝕法。采用4%的硝酸酒精溶液對樣品表面進(jìn)行腐蝕，腐蝕的時間為10 s。腐蝕的原理是利用化學(xué)試劑對樣品表面進(jìn)行溶解，因為晶界原子的排列混亂，不穩(wěn)定，原子具有較高的自由能，侵蝕

54、之后晶界處會因侵蝕而下凹。2.4 宏觀形貌與顯微組織分析用VHX-600K型超景深三維數(shù)碼顯微分析儀，對三個樣品的重熔層、熱影響區(qū)、基體的組織形貌進(jìn)行觀察，拍攝。對不同功率下的重熔層深度進(jìn)行測量、對比。對不同區(qū)域的金相組織進(jìn)行分析比對。2.5 顯微硬度測試硬度實驗在實驗研究中有著廣泛的應(yīng)用，因為對材料而言，硬度是一項重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它能反映出材料的彈性塑性。顯微硬度的測量原理是用一個極小的金剛石錐體，在一定的載荷下，再經(jīng)過一定的保荷時間，將金剛石錐體壓進(jìn)樣品表面，卸除載荷，然后通過光學(xué)放大，測定在一定負(fù)荷下，由金剛石角錐體壓頭壓入被測物后所殘留的壓痕對角線長度，根據(jù)壓痕對角線長度和負(fù)荷，測

55、量出樣品的硬度。測量時采用試驗載荷0.981 N (100 gf)，保荷時間15 s，物鏡倍數(shù)40x。測定方式采用多位多點測試方法，取平均值作為測量結(jié)果。對樣品進(jìn)行硬度梯度測量，即從樣品涂層向樣品基體方向每隔0.1 mm測一硬度值，獲得涂層的硬度-深度曲線。3 結(jié)果與分析3.1 激光重熔顯微組織金相分析從圖3.1中可以看出：經(jīng)激光重熔工藝處理后，材料表面形成了半橢圓形的區(qū)域。通過對試樣的金相觀察可以發(fā)現(xiàn)，激光重熔后的球墨鑄鐵，在重熔區(qū)和基體之間，出現(xiàn)了明顯的熱影響區(qū)。激光照射在金屬表面，使表面發(fā)生熔化，形成熔池，隨后快速冷凝，在金屬表面形成一層均質(zhì)的組織，這一區(qū)域通常稱為熔凝區(qū)，冷凝后表面組織

56、發(fā)生改變，導(dǎo)致表面性能也發(fā)生變化。熱影響區(qū)是由于激光的溫度極高，在重熔過程中，熔池周圍緊鄰的區(qū)域受高溫影響，組織形貌及性能也發(fā)生一定改變，形成熱影響區(qū)。經(jīng)測量圖3.1中重熔區(qū)的最大厚度為548.46 mm，熱影響區(qū)的厚度為754.16 mm，重熔層最大寬度為5204.2 mm。圖3.2為重熔后各區(qū)域示意圖。圖3.3是激光功率1500 W時，球墨鑄鐵激光重熔區(qū)橫截面在100倍下的組織形貌，圖3.4是激光功率2000 W時，球墨鑄鐵激光重熔區(qū)橫截面在100倍下的組織形貌，3.5是激光功率2500 W時，球墨鑄鐵激光重熔區(qū)橫截面在100倍下的形貌。三張圖的觀察與比較，我們發(fā)現(xiàn)：在光斑直徑為、掃描速度、離焦量等工藝參數(shù)恒定，激光功率分別為1500 W、2000 W和2500 W時，通過對重熔層深度的測量，激光功率越高，溫度越高，基體組織熔化越多，熔池越大，珠光體球墨鑄鐵重熔層的深度越深。圖3.1激光功率為1500 W時試樣橫截面的宏觀形貌圖3.2重熔后各區(qū)域示意圖圖3.3是激光功率1500 W時，球墨鑄鐵激光重熔區(qū)橫截面在100倍下的組織形貌，圖3.4是激光功率2000 W時，球墨鑄鐵激光重熔區(qū)