激光热处理：提高材料硬度和性能

激光热处理的最初目的是选择性表面硬化以降低材料磨损^[1]，现在也用于改变材料的冶金和力学性能。在大量表面热处理研究项目中有许多具有竞争力的方法，见图6.3，激光通常在减少变形和高效率方面占有优势。激光热处理的实际用途包括：

图6.3 热处理工艺比较

①增加硬度。

②提高强度。

③减少摩擦。

④降低磨损^[2]。

⑤增加疲劳寿命。

⑥生成表面碳化物。

⑦产生独特的几何磨损模式。

⑧回火处理。

激光热处理已用于钛、某些铝合金、含有足够碳的钢（使其硬化）和具有珠光体组织的铸铁材料。激光热处理装置如图6.4。吸收涂层通常应用于金属表面，以避免由于反射引起的能量损失。一些典型涂层的平均反射率见表6.1。通过入射平面中的带电矢量偏振光束在布鲁斯特角反射（对于金属，掠射角大约为80°）^[3]的方法，能够提高吸收系数，这将产生一种在小孔内（例如阀导套）进行相变硬化的独特工艺。反射率随入射角变化已在第二章第2.3.4节中提及。当光束移动到金属表面一定区域时，温度开始上升，热能被传入金属部件。温度上升必须超过临界转变温度（Ac₁，见图6.6），而低于熔化温度。当光束扫描过后，这种快速的表面加热过程几乎不使块状材料加热，由于淬火而出现冷却。图6.5和图6.6说明了热和结构的变化关系。该过程将在后面6.2.3部分加以讨论。但是，实质上对于可变性合金，在加热时发生相变，从图6.6a中的Ac₁温度开始，到Ac₃温度结束。由于在较高温度下产生扩散，这种新结构在快速冷却时不能再转变回去。扩散元素通常是碳。这是一种在某种应力下形成的结构，因此不允许位错流动。这种结构具有变硬的特性。(www.xing528.com)

图6.4 激光热处理实验装置

图6.5 En8钢激光加热时理论预测的热循环曲线（功率2kW，光束半径3mm，反射率0.4）^[4]

图6.6 a）铁渗碳体（Fe-Fe₃C）系一含7wt%C的稳定和亚稳定的简要平衡图^[5] b）含0.38wt%C钢的连续冷却转变相图^[6]

分析结果：C 0.38；Si 0.20；Mn 0.70；P 0.02；S 0.02。

表6.1 不同表面对10.6μm波长在正常入射角时的典型反射率

激光束散焦或振动到覆盖一个区域，该区域功率密度值可达10³～10⁴W/mm²。用这样的功率密度，在工件和激光束之间以5mm/s和50mm/s的速度相对运动会产生表面硬化。如果出现表面熔化，这是不期望的，应当增加相对运动速度；降低功率密度也会产生同样的效果。如果没有硬化层或浅层硬化层出现，而希望得到较深的硬化层，应该降低相对运动速度；增加功率密度也会产生同样的效果。硬化深度取决于热扩散和加热时间（D/V），这里D是工件上光斑的尺寸，V为移动速度，和温度一样，也取决于比能（P/Dv）。