【導(dǎo)讀】導(dǎo)師丁業(yè)立的指導(dǎo)下開展研究工作所取得的成果。除文中特別加以標注和致謝的地方。果，尊重知識產(chǎn)權(quán)，并愿為此承擔一切法律責任。其原理是利用高能量密度的激光束快速掃描工件，使被照射的金屬以極快的速度升。于冷態(tài)的基體使其迅速冷卻而進行自冷淬火，進而實現(xiàn)工件表面的相變硬化。硬化網(wǎng)紋圖案和16V240ZJ柴油機氣缸套淬硬帶螺距的計算方法。光淬火硬化的微觀解釋，驗證了激光淬火可顯著提高柴油機缸套的使用壽命。

　　

【正文】 發(fā)展起來的冷軋鋼輥毛化新技術(shù)。激光毛化軋輥具有比噴 丸毛化螺絲更長的使用壽命，在軋板過程中能提高軋制速度，減少版面擦傷，改善版型，在板卷退火中防止粘連，能顯著提高工廠的生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。 YAG 激光毛化設(shè)備及加工方法已經(jīng)成熟運用在鋼鐵、冶金的精密帶鋼、冷軋薄板、鍍鋅板、鍍錫板、不銹鋼板帶上。應(yīng)用激光毛化技術(shù)對軋輥能夠提高軋輥使用壽命、減少輥耗，降低退火粘連缺陷，對板、帶能夠提高產(chǎn)品沖壓性能、改善表面涂漆附著力，增加光亮度，減少黑帶現(xiàn)象產(chǎn)生等。 激光毛化技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、家電及電子、輕工及國防等領(lǐng)域，為國家和企業(yè)創(chuàng)造了數(shù)十億元的經(jīng)濟效益， 應(yīng)用我所技術(shù)的企業(yè)不僅提高了其產(chǎn)品檔次和競爭力，而且多家的毛化板帶實現(xiàn)出口創(chuàng)匯。 激光毛化冷軋輥技術(shù)是八十年代在世界上才發(fā)展起來的生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋薄鋼板新技術(shù)。由于激光毛化技術(shù)在加工方法上、在提高成型性能和涂鍍后光亮度以及綜合生產(chǎn)成 本方面都比其它毛化方法具有更大優(yōu)越性，因此激光山東交通學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 毛化技術(shù)一問世便受到鋼鐵企業(yè)和使用部門的高度重視， 優(yōu)質(zhì)冷軋薄板和薄帶不僅需要優(yōu)良的材質(zhì)，而且對薄板表面質(zhì)量（如表面粗糙度和形貌）有嚴格的要求，才能確保薄板優(yōu)良的成形性能和表面涂鍍性能。激光毛化汽車板由于涂漆后反射映像光澤度高，在國 外被稱為 “鏡面鋼板 ”，是生產(chǎn)高級轎車面板的優(yōu)質(zhì)板材。因此，激光毛化冷軋薄板（帶）是汽車、家電、電子和輕工業(yè)生產(chǎn)需求的重要原材料。 激光毛化技術(shù)基本原理 其特點是利用經(jīng)過特殊調(diào)制的高能量密度（ 104~106W/cm2）、高重復(fù)頻率（每秒數(shù)千至上萬）的脈沖激光束在聚焦后入射到軋輥表面實施預(yù)熱和強化，在聚焦點處軋輥表面形成微小溶池，同時由側(cè)吹裝置對微小溶池施以設(shè)定壓力、流量、方向的輔助氣體，使溶池中的溶融物按指定要求盡量堆積到溶池邊緣形成圓弧形凸臺。這些預(yù)熱區(qū)、微坑、凸臺在軋輥自導(dǎo)熱的作用下迅 速冷卻形成硬度強化區(qū)。然后在薄板軋制或平整過程中，軋輥表面上的凸臺在板面上再形成若干變形硬化質(zhì)點（微坑），以形成激光毛化板。這種新型表面結(jié)構(gòu)是在不降低原材質(zhì)表面韌性的情況下，由無數(shù)微小均布的強化點對表面實行針軋，從而在輥、板表面實現(xiàn)剛?cè)岵谋砻娼Y(jié)構(gòu)。這種表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下方面： 1)激光毛化在軋輥表面形成均勻分布的圓弧形凸臺，其硬度、強度都明顯高于其它毛化方式。并能有效的避免軋輥殘余應(yīng)力集中、韌性降低等現(xiàn)象，延長軋輥使用壽命。 孟小偉：激光淬火對氣 缸套壽命的影響 30 2)在軋制過程中，改善輥與板間摩擦（增加摩擦力）和接 觸條件以有利于軋制工藝順利進行（可增大軋機壓下量和軋制速度），減少擦傷和粘連，改善板型，提高板面質(zhì)量。 3)在板材成型過程中，板面微坑有儲油和冷卻作用，改善板與磨具間的摩擦和接觸條件（減小摩擦、增加潤滑），以利于材料流動，使成型工藝易于進行。同時，板面微坑可容納成型過程中產(chǎn)生的金屬屑，減少成型表明劃傷，提高工件質(zhì)量?？稍鰪姲迕鎸ν繉拥母街吞岣叱尚渭砻嫱科峁饬炼龋黾赢a(chǎn)品的附加值。 激光毛化的特點 激光毛化鋼板表面的小凹坑不連通，有利于在后期沖壓成型時儲油和捕捉金屬 碎屑，儲油性好，防止沖壓劃傷，保證了鋼板的深沖性。并使沖壓零件表面光整，同時減少沖壓用油。 輥面的激光毛化形貌均勻、可控，平滑面占整個毛化面的 60% ，使軋制出的鋼板的板面平坦度高，提高了帶鋼表面的光潔度和涂漆后的鮮映度。為用戶增加了產(chǎn)品的競爭能力，可生產(chǎn)激光鏡面鋼板 (Laser Mirror Steel) 。 激光毛化鋼板表面粗糙度均勻、排列規(guī)則、形貌可以預(yù)控、重復(fù)性好、粗糙度調(diào)節(jié)范圍大?？梢愿鶕?jù)用戶需要做特殊設(shè)計，開發(fā)新品種，如印花山東交通學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 板面等。 激光束在對軋輥毛化的同時還具有對其表面進行強化的作用，可提高軋輥使用壽命，減少換輥量和軋輥消耗，提高軋機生產(chǎn)效率。 CO2 激光毛化形貌的輥板轉(zhuǎn)換狀態(tài)一般是凹坑的復(fù)印率為 20% ，凸臺的復(fù)印率為 80% ，由于 CO2 激光毛化起作用的主要是凸臺部分，所以激光毛化轉(zhuǎn)換率高，不易堵塞，毛化效果好，過鋼量高。 毛化粗糙度調(diào)節(jié)靈活，可適應(yīng)多品種開發(fā)和生產(chǎn)。 占地面積小，地基簡單。 加工效率快。一根軋輥（ φ5001780mm）的加工時間在 30－ 40 分鐘內(nèi)。 自動化程度高，功能豐富。數(shù)控點加工，加工異形軋輥可先仿形后毛化。 運行穩(wěn)定、加工質(zhì)量高。 作業(yè)消耗的費用低，作業(yè)介質(zhì)安全。 環(huán)保型生產(chǎn)，無 “三廢 ”污染。 孟小偉：激光淬火對氣 缸套壽命的影響 32 YAG激光毛化 編 “YAG 激光毛化軋輥技術(shù)及應(yīng)用 ” 是力學所楊明江研究員及其研究團隊的一項技術(shù)發(fā)明，曾獲 1994年度中國科學院科技進步一等獎、 1997 年度中國專利發(fā)明創(chuàng)造金獎、 2021 年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎。激光毛化軋輥技術(shù)已在全國十余個省市推廣使用，除了應(yīng)用于金屬板 (帶 )的冷軋輥外，還可以應(yīng)用于印刷輥的圖形刻蝕、汽缸體的激光珩磨、重載機車的輪軌處理等等。我們將分三次介紹激光毛化表面改性的力學機理、技術(shù)特點。 干嘛要采用 YAG 激光技術(shù)？ 山東交通學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 激光毛化就是采用高重頻的高能激光束使輥面材料快速熔凝，形成按一定方式排列的直徑為一百微米量級，深度為幾十微米量級的微坑。其實，人們曾使用過不同的技術(shù)途徑使輥面毛化，例如噴丸、電火花等。圖 1， 2 分別是噴丸毛化板和電火花毛化板的表面形貌。顯然，它們的微坑不是孤立的，其間存在有微溝道，板面在深沖時，表面潤滑油容易被擠壓、流失，板面大變形區(qū)易起皺開裂。 激光毛化克服了上述缺點：板面上分布著密度很高而且彼此分立的毛化坑，能有效保存潤滑油，猶如在板面覆蓋了一層微小的液體軸承，使板材成型時材料易于流動，不僅能減少起皺開裂現(xiàn)象，而且能提高板材深沖成型性能；其次， YAG 激光束通過柔性的光纖導(dǎo)出，并可利用電子技術(shù)方便地進行調(diào)節(jié)與控制，可以按照任務(wù)需要實現(xiàn)各種不同的結(jié)構(gòu)、形貌。圖 3 給出一些激 光毛化輥表面形貌的實例，說明 YAG 激光毛化技術(shù)有廣泛的適用性。 那么，什么是 YAG 激光毛化技術(shù)呢？這是從激光光源的種類來劃分的。 YAG 是摻釹釔鋁石榴石晶體固體激光器的 “ 小名 ” ，好讀又好記，人們常常忘記掉那個又長又拗口的學術(shù) “ 大名 ” 。目前，孟小偉：激光淬火對氣 缸套壽命的影響 34 世界上用于生產(chǎn)的激光毛化技術(shù)有兩種， CO2 激光毛化和 YAG 激光毛化。 CO2 激光毛化是八十年代由比利時研發(fā)的，它采用 23 千瓦的高質(zhì)量基模 CO2 氣體激光器 (波長 微米 )，經(jīng)過高速轉(zhuǎn)動的斬波器機械斬波產(chǎn)生脈沖激光對軋輥進行毛化，設(shè)備體積龐大，造價高，維修要求苛 刻。力學所根據(jù)我國激光技術(shù)發(fā)展水平和工廠技術(shù)經(jīng)濟狀況，沒有因循國外技術(shù)路線，決定另辟蹊徑：研發(fā) YAG 激光毛化技術(shù)。這是因為YAG 激光波長短 ( 微米 )，金屬對 YAG 激光的吸收率高， 200400 瓦的 YAG 激光器就能滿足毛化所需的能量；同時由于波長短，聚焦光斑就小，可實現(xiàn)高密度毛化，從而可以滿足精密板帶毛化需要。YAG 激光脈沖的形成采用電控的聲光開關(guān)節(jié)調(diào)制，不僅重復(fù)頻率高，而且可通過計算機控制，實現(xiàn)多種形貌和分布毛化，滿足多種產(chǎn)品毛化要求。 YAG激光毛化不僅性能先進，而且整機制造成本僅為CO2 激光毛化的幾 分之一，便于在鋼廠廣泛推廣，見圖 5 所示。 YAG激光毛化也是國外眾多研究者想實現(xiàn)的愿望，但通過實驗，他們認為 YAG 激光器功率低，無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。問題的結(jié)癥在哪里呢？力山東交通學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 學所研究者通過仔細的理論計算，證明聲光調(diào)制的光脈沖能量足夠的，但常規(guī)聲光調(diào)制的光脈沖峰值太高 (達 108w/cm2)，打在輥面上產(chǎn)生了強烈的等離子羽，從而屏蔽了后繼光能的進入，使毛化粗糙度達不到要求。在明瞭了其中的物理機制后，力學所研究出特殊的高重頻聲光波形式調(diào)制技術(shù)，將YAG激光脈沖的工作點從常規(guī)的氣化為主的 A區(qū)調(diào)整到熔化為主的 B 區(qū) (參見圖 6)，同時讓光波形的功率密度變化與輥面熔池的溫度升高變化相適應(yīng)，大大提高了光能量耦合效率而使吸收率增加。使相同功率的 YAG 激光器對輥面毛化粗糙度提高 3 倍，毛化速率 (即毛化頻率 )提高 23 倍。 1994 年，世界上首臺 YAG 激光毛化裝備在天津市冷軋薄板廠實現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。 所以，科學道理并不總是深奧莫測的，只要一經(jīng)點撥往往就豁然開朗。當然，真正在技術(shù)上實現(xiàn)這個思路，是要花費力氣的。如果你對 YAG 激光毛化軋輥技術(shù)的發(fā)明點感興趣的話，不妨聯(lián)系楊明江研究員具體探討相關(guān)細節(jié)。 孟小偉：激光淬火對氣 缸套壽命的影響 36 激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用 激光熔覆 是一種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機、電、材料、檢測與控制等多學科的高新技 術(shù)，是激光先進制造技術(shù)最重要的支撐技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國家重點支持和推動的一項高新技術(shù)。目前， 激光熔覆技術(shù) 已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車、機械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。 山東交通學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 激光束 的聚焦功率密度可達 1010~12W/cm2，作用于材料能獲得高達1012K/s 的冷卻速度，這種綜合特性不僅為材料科學新學科的生長提供了強有力的基礎(chǔ)，同時也為新型材料或新型功能表面的實現(xiàn)提供了一種前所未有的工具。激光熔覆所創(chuàng)造的熔體在高溫度梯度下遠離平衡態(tài)的快速冷卻條件，使凝固組織中形成大量過飽和固溶體、介穩(wěn)相甚至新相，已經(jīng)被大量研究所證實。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強復(fù)合層全新的熱力學和動力學條件。同時 激光熔覆技術(shù) 制備新材料是極端條件下失效零部件的修復(fù)與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎(chǔ)，受到世界各國科學界和企業(yè)的高度重視和多方面的研究。 目前，利用 激光熔覆技術(shù) 可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復(fù)合 材料。從功能上分類：可以制備單一或同時兼?zhèn)涠喾N功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。多元體系的合金成分設(shè)計以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發(fā)展方向。 最新的研究表明，在我國工程應(yīng)用中鋼鐵基的金屬材料占主導(dǎo)地位。同時，金屬材料的失效（諸如腐蝕、磨損、疲勞等）大多發(fā)生零部件的工作表面，需要對表面進行強化。為滿足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強鋼鐵基復(fù)合材料制造，不僅浪費材料，而且成本極高。另一方面，從仿生學 的角度考察天然生物材料，其組成為外密內(nèi)疏，性能為外硬內(nèi)韌，且密 — 疏、硬 — 韌從外到內(nèi)是梯度變化的，天然生物材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的使用性能。根據(jù)工程上材料特殊的服役條件和性能的要求，迫切需要開發(fā)強韌結(jié)合、性能梯度變化的新型表層金屬基復(fù)合材料。孟小偉：激光淬火對氣 缸套壽命的影響 38 因此，利用激光熔覆的方法制備與基材呈冶金結(jié)合的梯度功能原位自生顆粒增強金屬基復(fù)合材料不僅是工程實踐的迫切需要，也是激光表面改性技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。激光熔覆技術(shù)制備原位自生顆粒增強金屬基復(fù)合材料、功能梯度材料已有報道，但大部分停留在組織、性能分析，工藝參數(shù)的控制階段，增 強相的尺寸、間距和所占的體積比還不能達到可控制的水平，梯度功能是通過多層涂覆形成的，不可避免地在層與層之間存在界面弱結(jié)合的問題，距離實用還有相當長的路。利用激光熔覆技術(shù)制備顆粒大小、數(shù)量、分布可控，強韌性適當匹配，集梯度功能和原位自生顆粒增強為一體的金屬基表層復(fù)合材料是今后重要的發(fā)展方向。研究內(nèi)容涉及到： ● 熔覆材料成分、組織、性能設(shè)計的技術(shù)、手段和原理及其工藝實現(xiàn)的控制技術(shù)。 ● 激光熔覆制備功能梯度原位自生顆粒增強金屬基復(fù)合材料顆粒增強相析出、長大和強化的熱力學和動力學模型的建立。 ● 顆粒增 強相形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能和復(fù)合的仿生設(shè)計和尺寸、數(shù)量、分布的控制技術(shù)。 ● 涂層成分、組織和性能梯度控制的原理、關(guān)鍵因素和工藝方法的研究。 ● 宏觀、微觀界面的觀察、分析控制和表征；功能梯度原位自生顆粒增強金屬基復(fù)合材料常規(guī)性能的分析和檢測以及不同工況下的磨損行為及失效機制。 這些研究內(nèi)容的突破，有可能解決涂層與基體相容性不匹配，易于產(chǎn)生裂紋的問題，促進激光熔覆技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。 山東交通學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 39 激光熔凝技術(shù)的應(yīng)用 激光熔凝原理 激光熔凝也稱激光熔化淬火。激光熔凝是用激光束將獲得工件表面加熱熔化到一定深 度，然后自冷使熔層凝固，獲得較為細化均質(zhì)的組織和所需性能的表面改性