本發(fā)明屬于金屬材料的熱處理加工領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光燒結(jié)設(shè)備的金屬材料激光多道搭接全面淬火工藝方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著工業(yè)發(fā)展日益崛起，對于金屬材料的性能要求也愈來愈高，顯而易見的是，磨損和腐蝕依舊是機(jī)械、汽車、飛機(jī)等主流工業(yè)器件的兩大主要破壞形式，并且由此破壞直接造成的經(jīng)濟(jì)損失令人驚措，我國曾展開的相關(guān)科學(xué)普查表明，摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)人民生產(chǎn)總值的1.8％，而且在1983年所列舉的一項(xiàng)報(bào)告中，我國工業(yè)各大行業(yè)中由腐蝕造成的損失至少為400億元人民幣。腐蝕和磨損帶來巨大損失的同時(shí)，也引起了人們愈發(fā)廣泛的關(guān)注。

眾所周知，腐蝕和磨損均是發(fā)生于材料表面的材料破壞流失過程，其主要失效形式多數(shù)萌發(fā)于材料表面，因此，采用適宜恰當(dāng)?shù)谋砻娣雷o(hù)措施以延緩和控制材料表面的腐蝕和磨損，成為解決上述問題的根本途徑與方法。

多年來，我國金屬材料的保護(hù)機(jī)制主要以工藝繁雜，發(fā)展趨于成熟的熱處理技術(shù)為主，熱處理過程中通過溫度變化、滲碳滲氮等措施，使得金屬材料組織生長發(fā)生變化，以獲得更高更強(qiáng)的力學(xué)性能以及其他機(jī)械性能，來滿足工件服役需求。對于金屬材料獲得更加優(yōu)異的機(jī)械性能的熱處理技術(shù)長期以來一直以淬火為主。這主要是因?yàn)槲覈撹F材料儲(chǔ)量豐富，并且具有優(yōu)良的機(jī)械、力學(xué)性能和性價(jià)比，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。工業(yè)用鋼是金屬材料中應(yīng)用最為廣泛、消耗數(shù)量最大的金屬材料，鋼材中的碳素鋼，價(jià)格低廉，便于冶煉，易于加工，且含碳量的不同加之相應(yīng)的熱處理淬火工藝，容易滿足生產(chǎn)上的需求。

但是，近年來，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，對于鋼材性能條件的需求也愈發(fā)苛刻，比如許多汽車零部件通過傳統(tǒng)滲碳淬火熱處理工藝處理以后，在服役過程中仍舊遭遇較為嚴(yán)重的磨損和腐蝕，引發(fā)生產(chǎn)廠商和消費(fèi)者擔(dān)憂。

這時(shí)候，許多表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，比如鋼材在傳統(tǒng)熱處理過程中通過噴丸強(qiáng)化來消除殘余應(yīng)力，又如近年來稀土催滲工藝在鋼材熱處理過程中的廣泛發(fā)展，除此之外，滲碳、滲氮、火焰淬火、高中頻感應(yīng)淬火、熱噴涂、氣相沉積、電鍍、鍍膜技術(shù)等也在歷經(jīng)變革不斷發(fā)展。而在眾多新興的表面強(qiáng)化技術(shù)中，隨著工業(yè)大功率激光器以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備的實(shí)用化，金屬材料的激光表面強(qiáng)化和改性技術(shù)成為千帆競技中一道耀眼的風(fēng)景。

金屬材料的激光表面強(qiáng)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，這其中低成本、高性價(jià)比的激光淬火工藝又成為激光加工研究的前沿領(lǐng)域之一。

激光淬火能夠在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)加熱材料和使材料冷卻，比之傳統(tǒng)熱處理大大縮減了時(shí)間和成本，美國通用公司已經(jīng)在部分汽車零部件中實(shí)現(xiàn)了激光淬火取代傳統(tǒng)熱處理技術(shù)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為優(yōu)異突出。目前，許多學(xué)者及工業(yè)生產(chǎn)廠商已經(jīng)相繼研發(fā)了多種激光淬火工藝技術(shù)，而這些技術(shù)大多依靠大功率激光器，針對不同形體的材料發(fā)展出相應(yīng)的淬火工藝，可以將激光淬火應(yīng)用于板材、管件、棒件、U形件等等不同形貌的金屬材料上，并獲得與傳統(tǒng)熱處理相當(dāng)?shù)牟牧闲阅堋５?，在這種空前的發(fā)展趨勢下，也暴露出諸多激光淬火的缺陷與問題，這其中最主要的問題在于，在激光淬火過程中，由于激光的高能量密度特性，其加熱材料的速度與冷卻速度可達(dá)10^4-6℃/s，由于加熱速度和冷卻速度過快，而激光淬火工藝比較粗糙，會(huì)導(dǎo)致淬火后組織變化不均勻，材料力學(xué)性能波動(dòng)較大，比如部分淬火理想的區(qū)域力學(xué)性能優(yōu)異，而其周邊以及兩個(gè)淬火焊道之間受熱不均勻則導(dǎo)致力學(xué)性能有較大起伏，不能像傳統(tǒng)熱處理一樣獲得較為均勻致密的顯微組織。

綜上所述，采用激光淬火工藝比之傳統(tǒng)熱處理技術(shù)可以節(jié)約成本，縮減生產(chǎn)時(shí)間，并能獲得較為理想的材料性能，但是又由于激光淬火的部分局限性限制了其應(yīng)用推廣。因此，為了突破其局限，發(fā)展實(shí)用性的激光淬火技術(shù)，使得激光淬火后能夠獲得均勻致密的顯微組織顯得十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于多金屬激光燒結(jié)設(shè)備的激光多道搭接全面淬火工藝，利用多金屬激光燒結(jié)設(shè)備和精密激光掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，建立多金屬構(gòu)件模型，可以針對各種金屬材料，尤其對于鋼材，進(jìn)行快速高效的致密淬火，使得材料在淬火后能夠獲得均勻致密的顯微組織，滿足更加高要求的工業(yè)生產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括以下步驟：

(1)分析待淬火工件的形貌結(jié)構(gòu)及需要淬火的工件區(qū)域，在三維造型軟件上構(gòu)建待淬火工件幾何模型，構(gòu)建工件CAD三維模型；

(2)借助激光燒結(jié)設(shè)備中的CAD系統(tǒng)，設(shè)置其需要淬火區(qū)域選區(qū)，即通過激光燒結(jié)設(shè)備中的CAD系統(tǒng)，確定淬火件需要淬火區(qū)域，并將這一區(qū)域標(biāo)記提取，將淬火件的適宜淬火工藝參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)；

(3)打開激光燒結(jié)設(shè)備，安置待淬火件后，進(jìn)行抽真空及通入氬氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)工作，形成有效的氣體保護(hù)氛圍，提高激光淬火的穩(wěn)定性，繼而在淬火選區(qū)上設(shè)定掃描路徑，在特定激光燒結(jié)設(shè)備中，其掃描路徑為依次線性推移往復(fù)掃描，掃描一次完成后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)67°，繼而展開第二面掃描，這一過程將實(shí)現(xiàn)兩個(gè)面的多道搭接掃描，依次進(jìn)行第三次、四次、五次、六次掃描，既可以實(shí)現(xiàn)360°覆蓋整個(gè)面的淬火掃描過程；

(4)關(guān)閉燒結(jié)設(shè)備，取出淬火件，觀察其淬火形貌。

本發(fā)明具有以下有益效果：利用激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備，通過高能量密度的激光束，對待淬火件淬火選區(qū)實(shí)現(xiàn)360°覆蓋整個(gè)面的淬火掃描過程，繼而獲得顯微組織均勻致密的淬火層。

附圖說明

下面結(jié)合附圖并以20CrMnTi齒輪鋼板材多道搭接全面淬火為例，對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為多金屬激光燒結(jié)設(shè)備淬火工作機(jī)制簡圖；

圖2為多金屬激光燒結(jié)設(shè)備形貌；

圖3為CAD構(gòu)建的齒輪鋼基板及選區(qū)模型；

圖4為激光多道搭接全面淬火工藝參數(shù)選擇；

圖5為激光多道搭接全面淬火掃描路徑；

圖6為激光多道搭接全面淬火后選區(qū)形貌；

圖7為未淬火和淬火后表面硬度對比圖；

圖8為激光淬火后淬火層顯微硬度分布圖；

圖9為激光多道搭接全面淬火后淬火層顯微組織形貌圖；

圖10為未淬火和淬火后，在同一時(shí)間和加載條件下磨損量對比圖。

具體實(shí)施方式

20CrMnTi齒輪鋼板材激光多道搭接全面淬火工藝：

為了實(shí)現(xiàn)齒輪鋼材料的多道搭接全面淬火以及獲得良好的成型性能，本次淬火采用德國EOS公司的EOSINT M280多金屬激光燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行齒輪鋼的激光多道搭接全面淬火。EOSINT M280多金屬激光燒結(jié)系統(tǒng)配備200/400W的YB-fiber固體激光發(fā)射器，結(jié)合掃描光學(xué)系統(tǒng)fthetaien，最大功率峰值可達(dá)8.5KW，掃描速度可以達(dá)到7m/s，其保護(hù)氣體管理體系，兼容氮?dú)夂蜌鍤獗Ｗo(hù)氛圍，因此能夠提供高性能、高穩(wěn)定性、高質(zhì)量的激光，可以實(shí)現(xiàn)從輕金屬到不銹鋼、超級合金等多種金屬材料的加工制造，其技術(shù)參數(shù)如表一所示，其工作機(jī)制和設(shè)備形貌如圖1和圖2所示。

表1 EOSINT M280多金屬激光燒結(jié)設(shè)備主要參數(shù)

由該多金屬燒結(jié)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)可知，通過多金屬燒結(jié)設(shè)備一方面可以通過計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)導(dǎo)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)件形貌而實(shí)現(xiàn)其激光淬火工藝，另一方面多金屬燒結(jié)設(shè)備性能可靠穩(wěn)定，光斑直徑非常小，可達(dá)80μm，且其掃描速度和輸出功率都可精準(zhǔn)控制，從而可以保證淬火過程的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。

本次試驗(yàn)依舊采用20CrMnTi齒輪鋼板材，試驗(yàn)基板尺寸為110×110×6mm³，實(shí)驗(yàn)過程中利用不同激光參數(shù)對選用基板進(jìn)行選區(qū)淬火，其選區(qū)面積為10×10×6mm³，利用CAD構(gòu)建的基板選區(qū)如圖3所示。

基于許多學(xué)者對鋼材進(jìn)行激光淬火試驗(yàn)的參數(shù)選擇的研究，以及EOSINT M280多金屬激光燒結(jié)設(shè)備本身對鋼材進(jìn)行熔化時(shí)的工藝參數(shù)選擇，本次試驗(yàn)將光斑直徑固定為100μm，掃描間距設(shè)定為80μm，如此可將兩道激光焊縫之間的距離保持在非常窄的范圍內(nèi)，因此即可以獲得相對較高和穩(wěn)定的激光功率密度，也能夠避免其淬火過程中的不均勻性，而將掃面速度與激光功率作為控制變量，來研究其對齒輪鋼多道多層搭接面淬火的影響，所選用的掃面速度范圍為300-450mm/s，激光功率范圍為65-90W，具體工藝參數(shù)選擇如圖4所示。

在進(jìn)行淬火過程中單道激光以67°角進(jìn)行往復(fù)面掃面過程，當(dāng)一次掃描完成后激光方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)67°進(jìn)行第二次搭接面掃面，如此往復(fù)六次，即可以實(shí)現(xiàn)覆蓋齒輪鋼式樣選區(qū)的全面淬火，具體激光掃描路徑如圖5所示。20CrMnTi齒輪鋼道搭接全面淬火后式樣形貌如圖6所示。

在基于多金屬激光燒結(jié)設(shè)備對齒輪鋼進(jìn)行多道搭接全面淬火以后，以其未淬火的基板材料截取同樣大小的選區(qū)式樣，對其力學(xué)性能、顯微組織形貌、耐磨性進(jìn)行檢測，結(jié)果表明20CrMnTi齒輪鋼在經(jīng)過激光多道搭接全面淬火以后，綜合各項(xiàng)性能最好的10號選區(qū)式樣表面硬度可達(dá)740HV，并在其表面淬火層形成了致密精細(xì)的馬氏體淬火層，淬火層深度約為0.06-0.12mm。其耐磨性也遠(yuǎn)高于未經(jīng)激光淬火的參考式樣,兩者表面硬度對比如圖7所示，淬火層顯微硬度分布如圖8所示，顯微組織形貌如圖9，同一加載(10N)和時(shí)間(10min)后的磨損量對比如圖10所示。