1 前言 隨著激光設備價格的不斷降低及其制造技術的不斷改進，材料表面激光改性和焊接的工業應用也變得越來越廣泛。前者包括激光表面熱處理、激光表面合金化和激光表面熔覆等加工方法，是表面工程工作者經常采用的處理手段；而后者是由于其焊縫的大深寬比、高精密度和生產的高效率而受到焊接界的重視，越來越多地把它用于機械制造業的新產品開發和生產。 在材料表面能較好地吸收激光能量的情況下，激光對材料的輻射可以使材料的表面部分以很高的速度被加熱，隨后靠材料自身的快速導熱又以很快的速度冷卻，這種快速加熱和冷卻特點使加熱區的組織結構有很多特殊性。例如，在ZL108鋁合金激光重熔區存在珠光體型層片狀鋁硅共晶［1］，層錯及孿晶［2，3］，在鑄鐵激光重熔區存在直徑為20nm的超細奧氏體［4］及原始珠光體條紋［5，6］，在T10鋼激光改性區存在微晶及非晶組織［7］以及T10鋼激光處理區殘留奧氏體的特殊作用等［8］。 常用于激光表面改性的材料多為鋼鐵材料，激光處理層的組織結構與材料的合金成分和激光處理參數等因素有關，其中的殘留奧氏體是激光處理區的常見組織，對處理區的性能有比較顯著的影響。 本文在對不同成分的鋼和鑄鐵以及高合金模具鋼和高速鋼激光處理組織和性能研究的基礎上，對激光處理區的殘留奧氏體進行了專題討論，討論的內容包括殘留奧氏體的組織形貌、合金元素固溶度、自身性質以及它們對激光處理區性能的影響。 2結果與分析 2．120鋼激光處理區中的殘留奧氏體 用于激光處理的低碳鋼經正火處理，基體組織為鐵素體F＋珠光體P，激光功率1600W，掃描速度為48cm／min。發現材料處理區的殘留奧氏體是分布在馬氏體板條之間，厚度為45nm左右，它與馬氏體的晶體取向符合K-S關系［9］。對于低碳鋼的激光處理，是通過使其表面發生相變來實現的，激光加熱可以使表層獲得均勻的奧氏體，奧氏體晶粒較細，其轉變產物為板條馬氏體，殘留奧氏體由于受馬氏體板條的制約，也呈現為條狀。對于含碳量大于0.2％的碳鋼，奧氏體的均勻性較差，在局部區域存在孿晶馬氏體和塊狀殘留奧氏體［10］。與常規淬火相比，激光淬火區的殘留奧氏體不但數量多且尺寸也較大。 2．2T10鋼激光處理區中的殘留奧氏體 T10鋼母材經球化退火，其組織為鐵素體加球狀滲碳體。激光處理參數為：激光功率2000W；激光光斑直徑8mm；掃描速度30mm／s。表面硬化層中馬氏體為針狀，殘留奧氏體和馬氏體交錯存在（殘留奧氏體被馬氏體分割），占有很大面積，呈現為不規則的塊狀，X射線衍射儀測定的殘留奧氏體的體積百分數約為10％［11］，含碳量為1％。透射電鏡觀察發現，個別區域的殘留奧氏體形貌呈微粒狀，電子衍射圖為一系列同心圓環［7］。在液氮中冷卻48h后，處理區的殘留奧氏體數量減少，變成4％左右，說明有一部分殘留奧氏體在低溫處理時轉變成了馬氏體，提高了耐磨性［8，13］。采用高功率密度和較慢的掃描速度對含碳量為1.0％左右的鋼進行處理時，很容易在表面獲得激光重熔層，它是由奧氏體和滲碳體組成的共晶組織，所以此殘留奧氏體形貌為枝晶狀。在冷卻速度較慢的條件下，共晶組織中的奧氏體將發生轉變。 2．3鑄鐵激光處理區中的殘留奧氏體 用于激光處理的材料是HT20-40灰口鑄鐵，激光處理參數是：激光功率2000W，激光光斑直徑5mm，掃描速度30mm／s。激光處理區總深度為1mm，其中的重熔層深度為0.15mm，在重熔層下部是激光淬火層。重熔區的殘留奧氏體為枝晶結構，它以外延形式從熔池向表面方向生長，與滲碳體組成共晶組織，一次晶軸間距約為5～8μm，二次晶軸間距約為1.5μm，相鄰的一次晶軸多為平行排列［5］。枝晶殘留奧氏體通常有較高的含碳量，對可鍛鑄鐵激光重熔區奧氏體成分測定表明，它的含碳量為2％。重熔層下邊為淬火區，該區的殘留奧氏體面積大，為塊狀，在未完全溶解石墨周圍的殘留奧氏體數量明顯大于其它區域。殘留奧氏體的硬度為650～700HV0.1。在液氮中冷卻48h以后，殘留奧氏體轉變成馬氏體，原殘留奧氏體區有明顯的浮凸［6］，此時的顯微硬度變為820～900HV0.1。 用公式a＝0.3548＋0.0044X 對殘留奧氏體的含碳量進行了測量（式中a為晶格常數；X為奧氏體含碳量），獲得的含碳量數值為1.8％。該區的殘留奧氏體數量高達30％，透射電鏡觀測到了直徑為20nm左右的微晶奧氏體，它的電子衍射圖為系列同心圓環［4，14］。激光處理區的耐磨性比母材提高很多倍，其中的殘留奧氏體對耐磨性的提高有一定的幫助作用。 2．4高合金鋼激光處理區中的殘留奧氏體 用于激光處理的材料有5CrNiMo和W18Cr4V鋼，激光處理參數分別是：激光功率2000W，光斑直徑5～8mm和掃描速度34mm／s。高合金鋼的激光處理區較難達到奧氏體均勻化，局部區域奧氏體合金元素含量偏高。殘留奧氏體的形貌有兩種，一種是板條馬氏體之間的殘留奧氏體，另一種是塊狀馬氏體間的殘留奧氏體，后者存在孿晶結構，位錯密度較高。對激光處理試樣回火后，發現它的硬度明顯高于正常淬火、回火組織的硬度［15，16］，說明固溶于奧氏體中的合金元素較多，提高了奧氏體在高溫的穩定性，表現為抗回火能力增強，同時也導致激光處理材料的熱疲勞性獲得改善［15］。 參考文獻 1 Hu Jiandong et al．Pearlite-like eutectic of Zl108 aluminium-silicon alloy containing rare-earth elements rapidly solidified by laser．J．Mater．Sci．，1990（9）：587～588 2 Hu Jiandong．Structural stability and stacking faults in a laser-melted ZL108 Al-Si alloy containing rare earth．J．Mater．Sci．，1992（27）：671～674 3 Hu Jiandong et al．Twin structure in laser-melted Al-Si alloy containing rare earths．J．Mater．Sci．，1993（12）：578～580 4 李 章，胡建東．鑄鐵激光淬火區中的細針狀馬氏體．金屬學報，1987，23(3)：B163～164 5 李 章，胡建東等．激光硬化鑄鐵組織及耐磨性研究．中國電子顯微學報，1989（8）：50～55 6 Li Zhang，Hu Jiandong．A study on wear resistance and microstructure of gray cast iron processed by laser．Laser Materials Processing for Industry，S．K．Ghosh ed．，IITT Pubishing，1989：205～209． 7 胡建東等．高碳工具鋼激光處理區中的微晶組織．材料科學進展，1990（5）：429～432 8 Hu Jiangdong et al．Wear resistance of laser processed 1.0％C tool steel．Mater Sci．Tech．，1992（8）：796～798． 9 胡建東，李 章．20鋼激光淬火組織電鏡觀察．金屬熱處理學報，1987（1）：98～102 10 卜憲章，胡建東等．35鋼35CrMnSi鋼激光淬火區耐磨性研究．光學機械，1992（5）：70～75． 11 胡建東等．T10鋼激光淬火組織及耐磨性的研究．金屬熱處理學報，1990（2）：19～25 12 Bu Xianzhang，Wang Hongyeng，Li Zhang，Hu Jiandong．Microstructure of laser processed T10 carbon tool steel．J．Mater．Sci．Tech．，1993（9）：289～292 13 Hu Jiandong，Li Zhang．Wear resistance characteristics of tool steel T10 prcessed by laser．Laser Materials Processing for Industry，S．K．Ghosh ed．，IITT Publishing，1989：150～154． 14 Fang Weije，Lu Jian，Li Zhang，Hu Jiandong．Laser surface heat treatment of gray cast iron：a microstructure and wear resistance study．Proceedings of International Congress on 5th Heat Treatment of Materials，Vol．3，Budapest，Hungary，1986：1568～1573 15 李玉龍，胡建東等．5CrNiMo鋼激光相變硬化組織及性能研究．金屬熱處理學報，1991（4）：30～37 16 Li Zhang，Hu Jiandong.A study on microstructure of Tl tool steel melted by laser．Laser Materials Processing for Industry，S．K．Ghosh ed．，IITT Publishing，1989：201～204