本發明屬于金屬材料的熱處理加工領域，尤其涉及一種基于激光燒結設備的金屬材料激光多道搭接全面淬火工藝方法。

背景技術：

近年來，隨著工業發展日益崛起，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械、汽車、飛機等主流工業器件的兩大主要破壞形式，并且由此破壞直接造成的經濟損失令人驚措，我國曾展開的相關科學普查表明，摩擦磨損造成的經濟損失可達人民生產總值的1.8％，而且在1983年所列舉的一項報告中，我國工業各大行業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，也引起了人們愈發廣泛的關注。

眾所周知，腐蝕和磨損均是發生于材料表面的材料破壞流失過程，其主要失效形式多數萌發于材料表面，因此，采用適宜恰當的表面防護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機制主要以工藝繁雜，發展趨于成熟的熱處理技術為主，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生變化，以獲得更高更強的力學性能以及其他機械性能，來滿足工件服役需求。對于金屬材料獲得更加優異的機械性能的熱處理技術長期以來一直以淬火為主。這主要是因為我國鋼鐵材料儲量豐富，并且具有優良的機械、力學性能和性價比，廣泛應用于工業生產領域。工業用鋼是金屬材料中應用最為廣泛、消耗數量最大的金屬材料，鋼材中的碳素鋼，價格低廉，便于冶煉，易于加工，且含碳量的不同加之相應的熱處理淬火工藝，容易滿足生產上的需求。

但是，近年來，隨著工業的飛速發展，對于鋼材性能條件的需求也愈發苛刻，比如許多汽車零部件通過傳統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重的磨損和腐蝕，引發生產廠商和消費者擔憂。

這時候，許多表面強化技術應運而生，比如鋼材在傳統熱處理過程中通過噴丸強化來消除殘余應力，又如近年來稀土催滲工藝在鋼材熱處理過程中的廣泛發展，除此之外，滲碳、滲氮、火焰淬火、高中頻感應淬火、熱噴涂、氣相沉積、電鍍、鍍膜技術等也在歷經變革不斷發展。而在眾多新興的表面強化技術中，隨著工業大功率激光器以及計算機輔助設備的實用化，金屬材料的激光表面強化和改性技術成為千帆競技中一道耀眼的風景。

金屬材料的激光表面強化和改性，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、高性價比的激光淬火工藝又成為激光加工研究的前沿領域之一。

激光淬火能夠在相當短的時間內加熱材料和使材料冷卻，比之傳統熱處理大大縮減了時間和成本，美國通用公司已經在部分汽車零部件中實現了激光淬火取代傳統熱處理技術的突破，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異突出。目前，許多學者及工業生產廠商已經相繼研發了多種激光淬火工藝技術，而這些技術大多依靠大功率激光器，針對不同形體的材料發展出相應的淬火工藝，可以將激光淬火應用于板材、管件、棒件、U形件等等不同形貌的金屬材料上，并獲得與傳統熱處理相當的材料性能。但是，在這種空前的發展趨勢下，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，會導致淬火后組織變化不均勻，材料力學性能波動較大，比如部分淬火理想的區域力學性能優異，而其周邊以及兩個淬火焊道之間受熱不均勻則導致力學性能有較大起伏，不能像傳統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熱處理技術可以節約成本，縮減生產時間，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用推廣。因此，為了突破其局限，發展實用性的激光淬火技術，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。

技術實現要素：

本發明提供了一種基于多金屬激光燒結設備的激光多道搭接全面淬火工藝，利用多金屬激光燒結設備和精密激光掃描技術和計算機輔助系統，建立多金屬構件模型，可以針對各種金屬材料，尤其對于鋼材，進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生產。

為了實現上述目的，本發明包括以下步驟：

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

(2)借助激光燒結設備中的CAD系統，設置其需要淬火區域選區，即通過激光燒結設備中的CAD系統，確定淬火件需要淬火區域，并將這一區域標記提取，將淬火件的適宜淬火工藝參數輸入計算機輔助系統；

(3)打開激光燒結設備，安置待淬火件后，進行抽真空及通入氬氣或氮氣保護工作，形成有效的氣體保護氛圍，提高激光淬火的穩定性，繼而在淬火選區上設定掃描路徑，在特定激光燒結設備中，其掃描路徑為依次線性推移往復掃描，掃描一次完成后，順時針旋轉67°，繼而展開第二面掃描，這一過程將實現兩個面的多道搭接掃描，依次進行第三次、四次、五次、六次掃描，既可以實現360°覆蓋整個面的淬火掃描過程；

(4)關閉燒結設備，取出淬火件，觀察其淬火形貌。

本發明具有以下有益效果：利用激光選區燒結設備，通過高能量密度的激光束，對待淬火件淬火選區實現360°覆蓋整個面的淬火掃描過程，繼而獲得顯微組織均勻致密的淬火層。

附圖說明

下面結合附圖并以20CrMnTi齒輪鋼板材多道搭接全面淬火為例，對本發明進一步說明。

圖1為多金屬激光燒結設備淬火工作機制簡圖；

圖2為多金屬激光燒結設備形貌；

圖3為CAD構建的齒輪鋼基板及選區模型；

圖4為激光多道搭接全面淬火工藝參數選擇；

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，在同一時間和加載條件下磨損量對比圖。

具體實施方式

20CrMnTi齒輪鋼板材激光多道搭接全面淬火工藝：

為了實現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多金屬激光燒結設備進行齒輪鋼的激光多道搭接全面淬火。EOSINT M280多金屬激光燒結系統配備200/400W的YB-fiber固體激光發射器，結合掃描光學系統fthetaien，最大功率峰值可達8.5KW，掃描速度可以達到7m/s，其保護氣體管理體系，兼容氮氣和氬氣保護氛圍，因此能夠提供高性能、高穩定性、高質量的激光，可以實現從輕金屬到不銹鋼、超級合金等多種金屬材料的加工制造，其技術參數如表一所示，其工作機制和設備形貌如圖1和圖2所示。

表1 EOSINT M280多金屬激光燒結設備主要參數

由該多金屬燒結設備的相關技術參數可知，通過多金屬燒結設備一方面可以通過計算機輔助系統導入復雜結構件形貌而實現其激光淬火工藝，另一方面多金屬燒結設備性能可靠穩定，光斑直徑非常小，可達80μm，且其掃描速度和輸出功率都可精準控制，從而可以保證淬火過程的穩定性和精準度。

本次試驗依舊采用20CrMnTi齒輪鋼板材，試驗基板尺寸為110×110×6mm³，實驗過程中利用不同激光參數對選用基板進行選區淬火，其選區面積為10×10×6mm³，利用CAD構建的基板選區如圖3所示。

基于許多學者對鋼材進行激光淬火試驗的參數選擇的研究，以及EOSINT M280多金屬激光燒結設備本身對鋼材進行熔化時的工藝參數選擇，本次試驗將光斑直徑固定為100μm，掃描間距設定為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，因此即可以獲得相對較高和穩定的激光功率密度，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，具體工藝參數選擇如圖4所示。

在進行淬火過程中單道激光以67°角進行往復面掃面過程，當一次掃描完成后激光方向順時針旋轉67°進行第二次搭接面掃面，如此往復六次，即可以實現覆蓋齒輪鋼式樣選區的全面淬火，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設備對齒輪鋼進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式樣，對其力學性能、顯微組織形貌、耐磨性進行檢測，結果表明20CrMnTi齒輪鋼在經過激光多道搭接全面淬火以后，綜合各項性能最好的10號選區式樣表面硬度可達740HV，并在其表面淬火層形成了致密精細的馬氏體淬火層，淬火層深度約為0.06-0.12mm。其耐磨性也遠高于未經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)和時間(10min)后的磨損量對比如圖10所示。