一种基于金属激光烧结设备的激光多道搭接全面淬火方法与流程

本发明属于金属材料的热处理加工领域，尤其涉及一种基于激光烧结设备的金属材料激光多道搭接全面淬火工艺方法。

背景技术：

近年来，随着工业发展日益崛起，对于金属材料的性能要求也愈来愈高，显而易见的是，磨损和腐蚀依旧是机械、汽车、飞机等主流工业器件的两大主要破坏形式，并且由此破坏直接造成的经济损失令人惊措，我国曾展开的相关科学普查表明，摩擦磨损造成的经济损失可达人民生产总值的1.8％，而且在1983年所列举的一项报告中，我国工业各大行业中由腐蚀造成的损失至少为400亿元人民币。腐蚀和磨损带来巨大损失的同时，也引起了人们愈发广泛的关注。

众所周知，腐蚀和磨损均是发生于材料表面的材料破坏流失过程，其主要失效形式多数萌发于材料表面，因此，采用适宜恰当的表面防护措施以延缓和控制材料表面的腐蚀和磨损，成为解决上述问题的根本途径与方法。

多年来，我国金属材料的保护机制主要以工艺繁杂，发展趋于成熟的热处理技术为主，热处理过程中通过温度变化、渗碳渗氮等措施，使得金属材料组织生长发生变化，以获得更高更强的力学性能以及其他机械性能，来满足工件服役需求。对于金属材料获得更加优异的机械性能的热处理技术长期以来一直以淬火为主。这主要是因为我国钢铁材料储量丰富，并且具有优良的机械、力学性能和性价比，广泛应用于工业生产领域。工业用钢是金属材料中应用最为广泛、消耗数量最大的金属材料，钢材中的碳素钢，价格低廉，便于冶炼，易于加工，且含碳量的不同加之相应的热处理淬火工艺，容易满足生产上的需求。

但是，近年来，随着工业的飞速发展，对于钢材性能条件的需求也愈发苛刻，比如许多汽车零部件通过传统渗碳淬火热处理工艺处理以后，在服役过程中仍旧遭遇较为严重的磨损和腐蚀，引发生产厂商和消费者担忧。

这时候，许多表面强化技术应运而生，比如钢材在传统热处理过程中通过喷丸强化来消除残余应力，又如近年来稀土催渗工艺在钢材热处理过程中的广泛发展，除此之外，渗碳、渗氮、火焰淬火、高中频感应淬火、热喷涂、气相沉积、电镀、镀膜技术等也在历经变革不断发展。而在众多新兴的表面强化技术中，随着工业大功率激光器以及计算机辅助设备的实用化，金属材料的激光表面强化和改性技术成为千帆竞技中一道耀眼的风景。

金属材料的激光表面强化和改性，就是利用激光的高能量密度特性在材料表面施行淬火、熔覆、合金化等方法，这其中低成本、高性价比的激光淬火工艺又成为激光加工研究的前沿领域之一。

激光淬火能够在相当短的时间内加热材料和使材料冷却，比之传统热处理大大缩减了时间和成本，美国通用公司已经在部分汽车零部件中实现了激光淬火取代传统热处理技术的突破，而且由于大功率激光器的投入使用，使得激光淬火后材料性能更为优异突出。目前，许多学者及工业生产厂商已经相继研发了多种激光淬火工艺技术，而这些技术大多依靠大功率激光器，针对不同形体的材料发展出相应的淬火工艺，可以将激光淬火应用于板材、管件、棒件、U形件等等不同形貌的金属材料上，并获得与传统热处理相当的材料性能。但是，在这种空前的发展趋势下，也暴露出诸多激光淬火的缺陷与问题，这其中最主要的问题在于，在激光淬火过程中，由于激光的高能量密度特性，其加热材料的速度与冷却速度可达10^4-6℃/s，由于加热速度和冷却速度过快，而激光淬火工艺比较粗糙，会导致淬火后组织变化不均匀，材料力学性能波动较大，比如部分淬火理想的区域力学性能优异，而其周边以及两个淬火焊道之间受热不均匀则导致力学性能有较大起伏，不能像传统热处理一样获得较为均匀致密的显微组织。

综上所述，采用激光淬火工艺比之传统热处理技术可以节约成本，缩减生产时间，并能获得较为理想的材料性能，但是又由于激光淬火的部分局限性限制了其应用推广。因此，为了突破其局限，发展实用性的激光淬火技术，使得激光淬火后能够获得均匀致密的显微组织显得十分必要。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于多金属激光烧结设备的激光多道搭接全面淬火工艺，利用多金属激光烧结设备和精密激光扫描技术和计算机辅助系统，建立多金属构件模型，可以针对各种金属材料，尤其对于钢材，进行快速高效的致密淬火，使得材料在淬火后能够获得均匀致密的显微组织，满足更加高要求的工业生产。

为了实现上述目的，本发明包括以下步骤：

(1)分析待淬火工件的形貌结构及需要淬火的工件区域，在三维造型软件上构建待淬火工件几何模型，构建工件CAD三维模型；

(2)借助激光烧结设备中的CAD系统，设置其需要淬火区域选区，即通过激光烧结设备中的CAD系统，确定淬火件需要淬火区域，并将这一区域标记提取，将淬火件的适宜淬火工艺参数输入计算机辅助系统；

(3)打开激光烧结设备，安置待淬火件后，进行抽真空及通入氩气或氮气保护工作，形成有效的气体保护氛围，提高激光淬火的稳定性，继而在淬火选区上设定扫描路径，在特定激光烧结设备中，其扫描路径为依次线性推移往复扫描，扫描一次完成后，顺时针旋转67°，继而展开第二面扫描，这一过程将实现两个面的多道搭接扫描，依次进行第三次、四次、五次、六次扫描，既可以实现360°覆盖整个面的淬火扫描过程；

(4)关闭烧结设备，取出淬火件，观察其淬火形貌。

本发明具有以下有益效果：利用激光选区烧结设备，通过高能量密度的激光束，对待淬火件淬火选区实现360°覆盖整个面的淬火扫描过程，继而获得显微组织均匀致密的淬火层。

附图说明

下面结合附图并以20CrMnTi齿轮钢板材多道搭接全面淬火为例，对本发明进一步说明。

图1为多金属激光烧结设备淬火工作机制简图；

图2为多金属激光烧结设备形貌；

图3为CAD构建的齿轮钢基板及选区模型；

图4为激光多道搭接全面淬火工艺参数选择；

图5为激光多道搭接全面淬火扫描路径；

图6为激光多道搭接全面淬火后选区形貌；

图7为未淬火和淬火后表面硬度对比图；

图8为激光淬火后淬火层显微硬度分布图；

图9为激光多道搭接全面淬火后淬火层显微组织形貌图；

图10为未淬火和淬火后，在同一时间和加载条件下磨损量对比图。

具体实施方式

20CrMnTi齿轮钢板材激光多道搭接全面淬火工艺：

为了实现齿轮钢材料的多道搭接全面淬火以及获得良好的成型性能，本次淬火采用德国EOS公司的EOSINT M280多金属激光烧结设备进行齿轮钢的激光多道搭接全面淬火。EOSINT M280多金属激光烧结系统配备200/400W的YB-fiber固体激光发射器，结合扫描光学系统fthetaien，最大功率峰值可达8.5KW，扫描速度可以达到7m/s，其保护气体管理体系，兼容氮气和氩气保护氛围，因此能够提供高性能、高稳定性、高质量的激光，可以实现从轻金属到不锈钢、超级合金等多种金属材料的加工制造，其技术参数如表一所示，其工作机制和设备形貌如图1和图2所示。

表1 EOSINT M280多金属激光烧结设备主要参数

由该多金属烧结设备的相关技术参数可知，通过多金属烧结设备一方面可以通过计算机辅助系统导入复杂结构件形貌而实现其激光淬火工艺，另一方面多金属烧结设备性能可靠稳定，光斑直径非常小，可达80μm，且其扫描速度和输出功率都可精准控制，从而可以保证淬火过程的稳定性和精准度。

本次试验依旧采用20CrMnTi齿轮钢板材，试验基板尺寸为110×110×6mm³，实验过程中利用不同激光参数对选用基板进行选区淬火，其选区面积为10×10×6mm³，利用CAD构建的基板选区如图3所示。

基于许多学者对钢材进行激光淬火试验的参数选择的研究，以及EOSINT M280多金属激光烧结设备本身对钢材进行熔化时的工艺参数选择，本次试验将光斑直径固定为100μm，扫描间距设定为80μm，如此可将两道激光焊缝之间的距离保持在非常窄的范围内，因此即可以获得相对较高和稳定的激光功率密度，也能够避免其淬火过程中的不均匀性，而将扫面速度与激光功率作为控制变量，来研究其对齿轮钢多道多层搭接面淬火的影响，所选用的扫面速度范围为300-450mm/s，激光功率范围为65-90W，具体工艺参数选择如图4所示。

在进行淬火过程中单道激光以67°角进行往复面扫面过程，当一次扫描完成后激光方向顺时针旋转67°进行第二次搭接面扫面，如此往复六次，即可以实现覆盖齿轮钢式样选区的全面淬火，具体激光扫描路径如图5所示。20CrMnTi齿轮钢道搭接全面淬火后式样形貌如图6所示。

在基于多金属激光烧结设备对齿轮钢进行多道搭接全面淬火以后，以其未淬火的基板材料截取同样大小的选区式样，对其力学性能、显微组织形貌、耐磨性进行检测，结果表明20CrMnTi齿轮钢在经过激光多道搭接全面淬火以后，综合各项性能最好的10号选区式样表面硬度可达740HV，并在其表面淬火层形成了致密精细的马氏体淬火层，淬火层深度约为0.06-0.12mm。其耐磨性也远高于未经激光淬火的参考式样,两者表面硬度对比如图7所示，淬火层显微硬度分布如图8所示，显微组织形貌如图9，同一加载(10N)和时间(10min)后的磨损量对比如图10所示。