熱處理對非常規(guī)加工重鑄層厚度的影響
| 作者：Alex Pohoata – F&B制造有限責(zé)任公司；美國亞利桑那州鳳凰城 |
非常規(guī)加工需要采用高溫或化學(xué)方法去除材料。利用材料的快速熔化進(jìn)行加工的最常見工藝是電火花加工(EDM)和激光束加工(LBM)。
激光束加工通過利用單色連續(xù)激光束照射需要加工的部件產(chǎn)生的熱效應(yīng)來去除材料。當(dāng)激光束接觸到工件表面時(shí)，材料熔化并“濺射到”切口周圍(如果是激光束打孔則是孔的周圍)。與傳統(tǒng)的機(jī)加工不同，用激光去除的材料不會有碎屑?xì)埩?。圖1展示了用激光打出的孔周圍濺射的熔化材料。
圖1. 用激光打出的孔(1,500倍)
當(dāng)熔化的材料凝固后，將在切口或打出的孔周圍形成一個(gè)所謂的“重鑄層”。重鑄層的厚度同工件材質(zhì)、激光類型、激光束參數(shù)和切口厚度有關(guān)。圖2展示了激光束加工產(chǎn)生的重鑄層。
圖2. 激光束加工產(chǎn)生的重鑄層(1,000倍)
這個(gè)重鑄層對部件不利。它在部件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，可能引起裂紋；如果基體材料本身已經(jīng)存在裂紋，它會使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。較厚、連續(xù)且較均勻的重鑄層會增大工件表面的應(yīng)力，對部件壽命造成不利影響。
重鑄層的典型處理方法是，或者通過機(jī)械手段(比如修磨、去毛刺)將其去除，或者根據(jù)部件用途對其規(guī)定一個(gè)最大允許厚度。不過，在某些情況下，由于部件形狀復(fù)雜，重鑄層難以采用機(jī)械方法完全去除。
因此，可能需要其他一些去除重鑄層或者使其厚度減小到允許值的方法。本文研究了激光切割后進(jìn)行的熱處理對重鑄層厚度的影響。
實(shí)驗(yàn)步驟
本實(shí)驗(yàn)中使用了3種合金：6061鋁，321不銹鋼，Incoloy 931。用一臺光纖激光器從每種合金上切下樣品(圖3、6、9)，在腐蝕狀態(tài)下測量重鑄層。
圖3. 激光切割狀態(tài)下的6061鋁合金(200倍)
圖6. 激光切割后的CRES 321(500倍)
圖9. 激光切割后的Incoloy903(200倍)
對于厚0.063英寸的6061鋁合金(AMS 4025)，樣品在985°F下固溶熱處理1小時(shí)，用水冷卻，然后自然時(shí)效到T4狀態(tài)。使用Kellers腐蝕劑對樣品進(jìn)行腐蝕(圖4和5)。
圖4. 激光切割后熱處理到T4狀態(tài)的6061鋁合金(500倍)
圖5. 激光切割后熱處理到T4狀態(tài)的6061鋁合金(200倍)
對于厚0.023英寸的CRES 321不銹鋼(AMS 5510)，樣品在最大壓力為1微米汞柱的真空爐內(nèi)1,800°F下退火20分鐘，然后用風(fēng)機(jī)吹送氬氣冷卻到175°F。樣品用Fry試劑腐蝕，表面未觀察到氧化現(xiàn)象(圖7和8)。
圖7. 激光切割后經(jīng)過退火處理的CRES321(200倍)
圖8. 激光切割后經(jīng)過退火處理的CRES321(500倍)
對于厚0.082英寸的Incoloy903(UNS N19903)，樣品經(jīng)過固溶熱處理和沉淀硬化后用改進(jìn)的Kalling腐蝕劑腐蝕(圖10)。
圖10. 激光切割和熱處理后的Incoloy903(200倍)
在(最差條件下的)熱處理之前和之后都測量了激光切割產(chǎn)生的重鑄層，結(jié)果列于表中。
經(jīng)過熱處理后，這些材料的重鑄層厚度都明顯減小。另外，從重鑄層到基體材料的過渡也變得不再那么明顯，表明重鑄層和基體金屬之間結(jié)合牢固。
結(jié)論
熱處理能夠改善采用非常規(guī)方法加工的部件表面質(zhì)量，可以用在一些難以采用機(jī)械方法去除或減少重鑄層的特殊情況下。
文章來源：本文刊登于《IndustrialHeating》中文版雜志2023年6月刊
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