简介概要

激光冲击对灰铸铁熔凝层组织和性能的影响

来源期刊：稀有金属2020年第9期

论文作者：万天一崔承云彭希超

文章页码：967 - 973

关键词：灰铸铁;激光熔凝;激光冲击;微观组织;性能;

摘要：对灰铸铁熔凝层表面进行激光冲击(LSP)处理,研究激光冲击前后灰铸铁熔凝层组织及性能的变化。结果表明,激光冲击后,灰铸铁熔凝层组织细化且产生大量的塑性变形,导致熔凝层深度方向残余拉应力转变为压应力,最大残余压应力出现在层深0.2 mm处,熔凝层残余压应力随着层深的增加而逐渐减小;激光冲击后灰铸铁的熔凝层上部马氏体组织、莱氏体组织发生细化,熔化区下部的相邻渗碳体间距减小,且部分渗碳体组织的尺寸减小,颗粒状珠光体转变为层片状珠光体;激光冲击对于熔凝层的熔化区及过渡区的显微硬度有强化作用,熔化区的平均显微硬度达到约HV0. 1843,相较于激光冲击前增幅约为15.96%,过渡区的平均显微硬度提高程度较小,相对于激光冲击前增幅约为9.35%;激光冲击后的灰铸铁熔凝层表面平均摩擦系数为0.11857,磨损量为0.072 g,相对于激光冲击前明显下降,熔凝层表面的耐磨性能提升。

网络首发时间: 2019-06-24 17:11

稀有金属 2020,44(09),967-973 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy19040002

激光冲击对灰铸铁熔凝层组织和性能的影响

万天一崔承云彭希超

江苏大学机械工程学院

摘要：

对灰铸铁熔凝层表面进行激光冲击（LSP）处理，研究激光冲击前后灰铸铁熔凝层组织及性能的变化。结果表明，激光冲击后，灰铸铁熔凝层组织细化且产生大量的塑性变形，导致熔凝层深度方向残余拉应力转变为压应力，最大残余压应力出现在层深0.2 mm处，熔凝层残余压应力随着层深的增加而逐渐减小；激光冲击后灰铸铁的熔凝层上部马氏体组织、莱氏体组织发生细化，熔化区下部的相邻渗碳体间距减小，且部分渗碳体组织的尺寸减小，颗粒状珠光体转变为层片状珠光体；激光冲击对于熔凝层的熔化区及过渡区的显微硬度有强化作用，熔化区的平均显微硬度达到约HV0. 1843，相较于激光冲击前增幅约为15.96%，过渡区的平均显微硬度提高程度较小，相对于激光冲击前增幅约为9.35%；激光冲击后的灰铸铁熔凝层表面平均摩擦系数为0.11857，磨损量为0.072 g，相对于激光冲击前明显下降，熔凝层表面的耐磨性能提升。

关键词：

灰铸铁;激光熔凝;激光冲击;微观组织;性能;

中图分类号： TG143.2;TG665

作者简介：万天一（1995-），男，江苏无锡人，硕士研究生，研究方向：激光加工与表面改性，E-mail:897134236@qq.com；;*崔承云，教授，电话：0511-88797898,E-mail:ccyyy981206@163.com;

收稿日期：2019-04-01

基金：国家自然科学基金项目(51875267和51505198);江苏高校“青蓝工程”项目;江苏大学青年骨干教师计划项目资助;

Microstructures and Properties of Melted Layer of Gray Cast Iron with Laser Shock Processing

Wan Tianyi Cui Chengyun Peng Xichao

School of Mechanical Engineering,Jiangsu University

Abstract：

The melted layer surface of gray cast iron was treated by laser shock processing(LSP). The structure and property of the gray cast iron melted layer before and after LSP were studied. The results showed that after LSP,the microstructures of the gray cast iron melted layer refined and a large amount of plastic deformation occurred,resulting in the consequence that the residual tensile stress in the depth direction of the melted layer converted into compressive stress. The maximum residual compressive stress occurred at 0.2 mm depth,and the residual compressive stress of the melted layer decreased with the increase of the layer depth. After LSP,the refinement of martensite and ledeburite occurred at the top of melted zone. At the bottom of the melted zone,the distance between the adjacent cementite decreased and the size of part of the cementite reduced. The granular pearlite transformed into lamellar pearlite. Laser shock processing had a strengthening effect on the microhardness of the melted zone and transition zone of the melted layer. The average microhardness of melted zone reached about HV0.1843,which was about 15.96% higher than that before LSP. The average microhardness of transition zone improved slightly,which was about 9.35% higher than that before LSP. After LSP,the average friction coefficient and wear loss of the melted layer surface were 0.11857 and 0.072 g respectively,which were obviously lower than those before LSP,and the wear resistance of the melted layer surface improved.

Keyword：

gray cast iron; laser melting; laser shock processing(LSP); microstructures; properties;

Received： 2019-04-01

灰铸铁由于其价格低廉，具有良好的切削加工性、导热性和减震性，广泛应用于各种机械零部件中，如汽车通风盘、齿轮箱体、床身等 ^[1] 。灰铸铁零部件常应用于恶劣的工作环境，表面易产生裂纹或损伤而失效，严重影响其使用寿命，因此，提高灰铸铁表面性能尤为重要。

激光熔凝技术是一种新型的表面改性与修复成形技术，可以细化材料表面晶粒并使得表面组织均匀化 ^[2] ，通常作为一种表面处理手段来提高材料表面的性能 ^[3] 。赵宇等 ^[4] 对灰铸铁进行激光熔凝处理，结果表明经激光熔凝后，灰铸铁熔凝区的硬度达到HV 560～602，并且磨损性能和热疲劳性能都有所提升。Shen等 ^[5] 对灰铸铁表面进行激光熔凝处理，结果表明灰铸铁激光熔凝处理后产生高硬度，且耐磨性能提高。Liu等 ^[6] 对灰铸铁进行激光熔凝处理，结果表明激光改性区组织均匀，硬度值范围为HV 700～800。

激光熔凝能有效改善金属材料表面性能，但熔凝层内易产生较大的拉应力而开裂 ^[7] ，此类问题将严重影响材料改性层的性能。为此，需要进一步改进工艺方法，以达到提高材料表面质量的要求。激光冲击（LSP）能使材料表面产生塑性变形并引入残余压应力 ^[8] ，抑制裂纹的生成，具有超高压、超快、超高应变率的特点，能有效改善材料表面硬度、耐腐蚀、耐磨损等性能 ^[9] 。葛茂忠等 ^[10] 对球墨铸铁曲轴表面进行激光冲击处理，结果表明冲击区域显微硬度明显增加，表面存在残余压应力。冯旭等 ^[11] 对灰铸铁表面进行激光喷丸处理，结果表明处理后的试样摩擦系数降低，耐磨性能提高。

本文以灰铸铁为研究对象，针对激光熔凝带来较大残余拉应力的问题，在激光熔凝基础上进行激光冲击，研究激光冲击前后灰铸铁熔凝层的组织以及性能的变化情况。

1实验

1.1材料

本文选择HT200灰铸铁作为实验材料，其化学成分见表1。

灰铸铁微观组织如图1所示，其组织主要为珠光体（P）基体上分布着大量的片状石墨（G）。

表1 HT200灰铸铁成分比例下载原图

Table 1 Composition ratio of HT200 gray cast iron(%,mass fraction)

图1 灰铸铁HT200微观组织形貌

Fig.1 Microstructure of HT200 gray cast iron

1.2方法

对灰铸铁表面进行激光熔凝处理，选择的激光熔凝的主要工艺参数为：激光功率取1200,1500和1800 W，扫描速度均为5 mm·s^-1，光斑直径为3 mm，离焦量为+5 mm，相邻的激光束平行且搭接率为50%，激光熔凝过程和熔池截面示意图以及扫描路线如图2所示。

激光熔凝试验后，对熔凝表面进行激光冲击试验，主要工艺参数为：激光波长为1064 nm，激光能量取3,5和7 J，激光冲击的光斑直径3 mm，光斑搭接率为50%，激光冲击过程及扫描路线如图3所示。

1.3残余应力检测

利用X射线应力仪检测激光冲击前后灰铸铁熔凝层深度方向的残余应力，采用逐层剥落的方法，分层测定熔凝层深度方向的残余应力，每层剥落厚度为0.1 mm。

图2 激光熔凝示意图

Fig.2 Schematic diagram of laser melting

(a)Melting process;(b)Cross-section of molten pool;(c)Scanning route

图3 激光冲击示意图

Fig.3 Schematic diagram of laser shock processing

(a)Shock process;(b)Scanning route

图4 不同激光功率下灰铸铁熔凝表面形貌

Fig.4 Surface morphology of molted pool under different laser powers

(a)1200 W;(b)1500 W;(c)1800 W

1.4微观组织观测

利用扫描电子显微镜（SEM）分别对激光冲击前后的灰铸铁熔凝层截面进行观测分析。

1.5显微硬度检测

利用维氏硬度仪对激光冲击前后灰铸铁熔凝层截面深度方向的硬度进行检测，延伸度方向每隔0.2 mm取一点检测，直到基体为止。

1.6耐磨性能检测

利用多功能摩擦磨损试验机分别对灰铸铁原始试样、熔凝后试样、冲击后试样的表面进行耐磨性能检测。

2结果与分析

2.1宏观形貌

图4为不同功率下灰铸铁熔凝表面形貌。如图4(a）所示，激光功率为1200 W时，熔凝层宽度略小，为2.9 mm，并且熔凝层无凸起现象。如图4(c）所示，当激光功率为1800 W时，熔凝过程中温度过高，导致灰铸铁熔凝层表面产生大量的气孔以及塌陷。激光功率为1500 W时，熔凝层表面略微凸起且无明显缺陷，形貌最佳，如图4(b）所示，因此选择此参数处理后的样品进行后续激光冲击实验。

2.2残余应力

图5为不同能量激光冲击前后熔凝层深度方向的残余应力情况。可以看出，激光冲击前，灰铸铁熔凝层的残余应力表现为残余拉应力，这是因为激光熔凝时产生的温度梯度，以及熔凝后熔凝层组织的变化，使得熔凝层存在较大的残余拉应力，最大拉应力约为165 MPa。不同能量激光冲击后，熔凝层内残余拉应力基本转变为残余压应力，且层深为0.2 mm处的残余压应力均最大，推测原因为此处晶粒细化程度较高，塑性变形剧烈 ^[12] 。熔凝层内残余压应力随着层深的增加而逐渐减小。激光冲击前后，灰铸铁熔凝层残余拉应力转变为残余压应力，其原因在于激光冲击过程中，强大的冲击波使熔凝层表面一定深度的材料得到压缩，材料横向拉伸，如图6(a）所示。如图6(b）所示，激光冲击后，由于此部分材料与周围材料保持几何相容性，受到周围材料的反推力，由此形成一个压应力场 ^[13] 。当此压力场强度足够大时，抵消了原先熔凝层内的残余拉应力，整个熔凝层残余应力表现为残余压应力。激光冲击能量以等离子波的形式在试样中传播，随着层深的增加，能量逐渐衰退，导致强化效果减弱，残余压应力减小。

图5 不同能量激光冲击前后熔凝层深度方向的残余应力

Fig.5 Residual stress in depth direction of melted layer before and after LSP under different powers

图6 激光冲击诱导材料一维应变示意图

Fig.6 Schematic of one-dimensional strain induced by laser

(a)During LSP;(b)After LSP

由图5可以看出，3 J能量激光冲击后，熔凝层产生的残余压应力较小，且当熔凝层深度达到约0.8 mm时，随着熔凝层深度的增加，残余应力表现为残余拉应力，因此激光能量为3 J情况下冲击效果不佳。5 J与7 J能量激光冲击后，熔凝层存在较高的残余压应力，但是无明显差别，说明5 J与7 J能量下，激光冲击效果相似，因此，在后续实验时，选择激光能量为5 J的试样进行检测分析。

2.3微观组织

图7为灰铸铁熔凝层横截面形貌和微观结构示意图。熔凝层向上凸起，沿熔凝层横截面深度方向有较为明显的组织过渡，根据试样表面的温度分布，将试样熔凝层横截面自上而下分为3个区域：熔化区（melted zone,MZ）、过渡区（transition zone,TZ）和基体（substrate）。

图8为灰铸铁熔凝层激光冲击前后的微观组织形貌。图8(a,b）分别为激光熔凝、激光冲击后的熔凝层横截面示意图，对于其中白色矩形区域（c,e,g和d,f,h）进行显微组织观测，分别对应图8中的（c,e,g）和（d,f,h）。如图8(c）所示为熔化区上部组织，其中片状石墨完全溶解，激光熔凝处理过程中，珠光体分解，结晶时生成的片状奥氏体与细长的片状渗碳体形成共晶莱氏体组织。之后由于熔化区上部冷却速度极快，部分片状奥氏体组织转变为马氏体组织（M），而少量奥氏体由于来不及转变，成为残余奥氏体组织。莱氏体中的奥氏体发生共析反应转变为珠光体，共晶莱氏体转变为低温莱氏体（Ld′）。因此，熔化区上部组织主要为马氏体+低温莱氏体组织。图8(d）为激光冲击后的熔化区上部组织形貌，激光冲击后，马氏体组织得到进一步细化。低温莱氏体组织同样发生细化现象，如图8(d′）所示，原因在于激光冲击使得熔凝层产生剧烈的塑性变形，并且主要发生在塑性较好的奥氏体基体处，奥氏体基体产生大量的位错。当位错运动滑移到低温莱氏体边界时，受到塑性较低的低温莱氏体组织的阻碍而不断积累，形成高密度位错，低温莱氏体周围组织变形严重，进而挤压低温莱氏体组织，部分低温莱氏体细化。图8(e）为激光冲击前熔化区下部组织，图中白亮色组织为共晶渗碳体（Fe₃C），相邻渗碳体枝晶臂间距约为14μm，枝晶间存在着低温莱氏体组织（Ld′），其中黑色颗粒物为由奥氏体转变的珠光体组织，由于激光熔凝的作用，奥氏体晶粒细小，珠光体形核部位较多，导致黑色颗粒密集。激光冲击后，相邻渗碳体枝晶臂间距缩小为约7μm，部分渗碳体尺寸减小，渗碳体组织分布更为紧凑且均匀，密集的黑色颗粒珠光体组织消失，如图8(f）所示，原因在于渗碳体塑性几乎为零，受到激光冲击压力作用时不易产生塑性变形，而渗碳体枝晶间的珠光体塑性较好，受到压力作用时产生剧烈变形，粒状珠光体转变为层片状。图8(g,h）分别为激光冲击前后过渡区组织，其中存在少量片状石墨，石墨周围包裹着马氏体+残余奥氏体，可以看出，冲击前后组织形态无明显改变。由于激光冲击能量较小，且冲击波随着层深的增加而逐渐减小，导致激光冲击对基体几乎无作用，基体组织冲击前后无明显变化。

图7 激光熔凝层横截面形貌和微观结构示意图

Fig.7 Schematic illustration of cross-sectional morphology and microstructures of laser melted layer

图8 激光冲击前后熔凝层组织

Fig.8 Microstructures of melted layer before and after laser shock processing

(a,b)Schematic illustration of cross section of melted layerbefore and after LSP;(c)Structure at the top of melted zonebefore LSP;(d)Structure at the top of melted zone after LSP((d')local enlargement of figure(d));(e)Structure at thebottom of melted zone before LSP;(f)Structure at the bottomof melted zone after LSP;(g)Structure of transition zone be‐fore LSP;(h)Structure of transition zone after LSP

经过激光熔凝后的灰铸铁表面组织为马氏体组织与低温莱氏体组织。马氏体组织不仅具有高硬度，而且具有较高的强度，低温莱氏体组织硬度较高。激光冲击后，熔凝层组织细化，并且熔凝层残余应力由拉应力转变为压应力，进一步提高灰铸铁熔凝层表面的强度与硬度，使得灰铸铁熔凝层表面疲劳寿命显著提升，利于灰铸铁零件的加工与制造。

2.4显微硬度

图9为激光冲击前后灰铸铁横熔凝层截面的显微硬度情况。激光处理前，灰铸铁原始试样显微硬度约为HV_0.1218。激光熔凝后，熔化区层深约为0.8 mm，显微硬度显著提升且分布均匀，平均显微硬度值增加到约HV_0.1727，约为基体硬度的3.3倍，原因在于熔化区中硬度较低的片状石墨完全消失，其中分布大量均匀的高硬度莱氏体、渗碳体组织。激光冲击后，熔化区显微硬度进一步提高，平均显微硬度达到约为HV_0.1843，相对于激光冲击前增幅约15.96%。经激光冲击后，熔化区马氏体组织、莱氏体细化，且组织分布更为均匀，熔化区显微硬度提升幅度较大。距离试样表面约0.8 mm至1.4 mm的范围内为过渡区，过渡区硬度值随着深度的增加急剧下降，原因在于此区域存在片状石墨，硬度较低。激光冲击后，过渡区的显微硬度相较于冲击前提高了约9.35%，相较于熔化区的硬度值增幅较小，原因在于随着层深的增加，激光冲击能量逐渐减小，对于过渡区显微硬度的强化效果减弱 ^[14] 。由于激光冲击波在试样中传播时会产生衰减，激光冲击波到达基体时能量极小，其对于基体几乎没有影响，激光冲击后，基体显微硬度基本不变。

图9 激光冲击前后熔凝层横截面显微硬度

Fig.9 Cross-sectional microhardness of melted layer before and after LSP

2.5耐磨性能

摩擦系数和磨损量是表征材料耐磨性能的重要参数，摩擦系数越低，磨损量越小，则材料的耐磨性能就越好 ^[15] 。图10为3种试样表面的动态摩擦系数随时间的变化曲线以及磨损量和平均摩擦系数。由图10(a）可以看出，3种试样在磨损初始阶段（0～50 s）的摩擦系数迅速增大，此阶段试样表面实际摩擦面积小，应力较大，发生较为剧烈的磨损。原始试样在100 s达到稳定磨损阶段，而激光熔凝后的试样与激光冲击后的试样分别在200 s和300 s达到稳定磨损，这是因为3种试样中原始试样表面最平滑，粗糙度最低，摩擦磨损过程中易于达到稳定，而激光冲击后的试样表面粗糙度最高且硬度最大，磨损不易达到稳定状态。3种试样在稳定磨损阶段中，激光冲击后的试样摩擦系数最小且波动状态最小，磨损平缓。800～1200 s阶段，激光冲击后的试样的摩擦系数接近熔凝后的试样的摩擦系数，甚至有上升的趋势，这是由于此时的磨痕深度已经达到了激光冲击的影响层深，此处激光冲击强化效果减弱，耐磨性能逐渐下降。

结合图10(b）分析可知，激光冲击后的试样平均摩擦系数为0.11857，磨损量为0.072 g，耐磨性能最佳。激光冲击作用后熔凝层内产生大量塑性变形，使得晶粒充分细化 ^[16] ，晶界的增多阻碍了磨损表面的裂纹的生成 ^[17] 。激光冲击后，熔凝层表面残余拉应力转变为残余压应力，抵消了部分外加载荷，实际作用在试样表面的载荷大幅度减小，并且压应力还有闭合裂纹的作用 ^[18] ，激光冲击对于熔凝层表面耐磨性能的强化效果较为明显。

图1 0 原始试样、激光熔凝后的试样和激光冲击后的试样的动态摩擦系数随时间的变化曲线以及磨损量与平均摩擦系数

Fig.10 Dynamic friction coefficient of the original sample,sample after laser melting and sample after LSP with time(a)and wear loss and average friction coefficient of the original sample,sample after laser melting and sample after LSP(b)