【正文】 因此適用于各種復(fù)雜類型零部件。使金屬表面有一層擁有高硬度、韌性好、耐高溫、高耐磨性、高抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的涂層。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?，使該技術(shù)發(fā)展成為“光加工”時(shí)代的標(biāo)志性技術(shù)[26]。激光硬化的主要優(yōu)勢有：①加工過程一般不需要使用外部冷卻液②容易實(shí)現(xiàn)對過程監(jiān)控和控制③被加工的零件產(chǎn)生的形變較小④容易與柔性較高的自動(dòng)化過程集成⑤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。由于石墨的存在，鑄鐵的氧化過程同鋼相比是一個(gè)更加復(fù)雜的過程。 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500160040060085012502503003516220280退火球鐵40055035045015020055824140180灰鐵（片狀石墨）2209001000501005180高級鑄鐵（細(xì)片狀石墨）30045010001400515225可鍛鑄鐵（團(tuán)絮狀石墨）37060019031035060014020050170210110150鑄鋼（正火）380600180280350550130150400200820140170結(jié)構(gòu)鋼（）52064034038060030032050200182214017040Cr85011006507003403808013082024029018CrMoTi10001200800950550801501017310350從耐磨性上來說，球墨鑄鐵是一種良好的耐磨和減磨材料。 鐵素體組織金相照片在實(shí)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)。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。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。 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。 鎳硬鑄鐵化學(xué)成分含量表成分含量（%）CSiMnNiCr（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)。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?，F(xiàn)代球墨鑄鐵中的石墨變?yōu)榱饲驙钍c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]。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。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 mm5 mm），以6 mm/s的掃描速度輻照珠光體球墨鑄鐵表面，然后用VHX600K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HXD1000TM/LCD自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)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。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。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]。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]。數(shù)月之后，K. D. Millis對實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和金相實(shí)驗(yàn)，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。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(xiàng)目”。 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。（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840900 ℃，使基體轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，再將奧氏體淬入250350 ℃的鹽浴中進(jìn)行等溫，最后取出空冷。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，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。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。同時(shí)，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[1617]。 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(shí)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。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[2224]。將金屬表面的激光改性方法進(jìn)行分類，如圖 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]。⑵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。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。掃描速度不同的情況下，單位時(shí)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。 激光重熔的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[3132]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(shí)上激光重熔這個(gè)概念直到前些年才被提出。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。2 實(shí)驗(yàn)材料及方法 實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)用主要材料為珠光體基底球墨鑄鐵，直徑50 mm，厚度10 mm。切割時(shí)需要不斷的冷卻液進(jìn)行冷卻[3738]。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]。 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(gè)必要的過程，以便后續(xù)的細(xì)磨更好地進(jìn)行。這樣才能實(shí)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。腐蝕的原理是利用化學(xué)試劑對樣品表面進(jìn)行溶解，因?yàn)榫Ы缭拥呐帕谢靵y，不穩(wěn)定，原子具有較高的自由能，侵蝕之后晶界處會因侵蝕而下凹。對樣品進(jìn)行硬度梯度測量， mm測一硬度值，獲得涂層的硬度深度曲線。 W時(shí)試樣橫截面的宏觀形貌 W時(shí)，球墨鑄鐵激光重熔區(qū)橫截面在100倍下的組織形貌， W時(shí)，球墨鑄鐵激光重熔區(qū)橫截面在100倍下的組織形貌， W時(shí)，球墨鑄鐵激光重熔區(qū)橫截面在100倍下的形貌。在激光重熔的過程中，熱影響區(qū)位于熔池區(qū)的最底部，因此熱影響區(qū)所獲得的能量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔池區(qū)，熔池對基底的組織形貌會造成一定影響，因此形成熱影響區(qū)，這些能量使得熱影響區(qū)中晶體區(qū)過冷度小于熔池區(qū)內(nèi)晶體的過冷度，這就造成了結(jié)晶轉(zhuǎn)變過程中的不同變化。其中有大量的片狀珠光體、石墨、鐵素體、滲碳體等組織。試樣重熔層的硬度差距雖然不大，但激光掃描功率越大，重熔層硬度越大。⑶ 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，提升了大約四倍，而且在不同功率下，隨著功率的升高，涂層的硬度越高。在這四年當(dāng)中，我所學(xué)到的、所努力過的、所為之付出的都將是我寶貴的財(cái)富，而所教導(dǎo)過我、幫助過我、支持過我的都將是我源源不斷前進(jìn)的動(dòng)力。所以在此我十分衷心地感謝劉老師在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中所給與的幫助，表達(dá)我深深的謝意。經(jīng)過討論分析，得到如下結(jié)論：⑴ 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。三個(gè)樣品的基底材料相同，都是珠光體球墨鑄鐵，試驗(yàn)參數(shù)除激光功率外也全部相同，因此重熔層的區(qū)別與激光功率有關(guān)，激光功率越大，實(shí)際上就是加熱溫度越高，因而冷卻速度越快，過冷度越高，形核率也越大，晶體長大速度就降低，單位體積中的晶核數(shù)量就越多，因此晶粒越細(xì)。這一形成過程相當(dāng)于熱處理中的淬火處理。熔池區(qū)、熱影響區(qū)與基底三大區(qū)域之間有明顯的界限，可以看到組織的漸變過程。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)。 顯微硬度測試硬度實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)研究中有著廣泛的應(yīng)用，因?yàn)閷Σ牧隙?，硬度是一?xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它能反映出材料的彈性塑性?，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(shí)驗(yàn)這一次采用150 ，400 ，600 ，1200 的砂紙進(jìn)行細(xì)磨。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(shí)驗(yàn)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 mm5 mm的矩形光斑，離焦固定為55 mm。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。本實(shí)驗(yàn)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(gè)被電離的導(dǎo)電路，因此在在兩板之間形成電流。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(shí)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]。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，