摘 要：通过对铝活塞合金表面进行激光重熔处理，使铝活塞合金表面的晶粒细化，增强铝活塞合金表面的综合性能。研究不同激光工艺参数对晶粒细化的影响，找出合适的激光工艺参数，并对激光重熔后铝活塞合金的组织与性能进行研究。
关键词：激光重熔； 晶粒细化； 激光工艺参数
高功率密度柴油机对铝活塞的要求非常高，为提高铝合金活塞的综合高温性能，对活塞用铝合金表面进行激光重熔，使其表面的晶粒细化。激光重熔可以提高铝合金活塞高温疲劳寿命和耐磨性能， 延长活塞的连续使用时间， 提高大功率柴油机的连续工作能力，使更换活塞的时间延长，提高经济效益。
1 试验设备及材料
激光试验设备采用 HL3006DYAG 型最大功率为 3kW 的连续固体激光器，NIKONEPIPHOT 300型金相数码显微镜和 QUANTA400F 型扫描电镜，日 本 电 子 JEM-2010 型 透 射 电 镜 ， 日 本 岛 津SHIMADZU-M 型显微硬度仪和布氏硬度测试仪。为了保证试验的可比性， 试样材料选用同一批次铸造合金，金属型铸造，在(215±5)℃时效 6 h。 试样尺寸为 100 mm×50mm×10mm。 合金成分(质量分数，%)为：12.5Si，0.6Mg，2.0Ni，3.0Cu，其余为 Al。腐蚀液为 0.5%HF。
试验设计了 7 组激光重熔工艺参数， 试验参数2 结果及分析
2.1 激光重熔区显微组织分析
激光重熔前后铝活塞合金显微组织见图 1。 可看出，重熔前的显微组织为白色基体 α-Al 上分布着粗大的块状或多角形初晶硅和短棒状或颗粒状的共晶硅[1]， 鱼骨状的 Cu-Ni-Al 相 (τ 相 )、 螃蟹状黑色Mg2Si 相和其他细长针状的第二相(Al5FeSi、Cu、Ni相)。 激光重熔处理后铝活塞合金的显微组织明显细化， 在 200 倍金相显微镜下很难看清楚晶粒，在1000 倍下可以看到细化的白色基体 α-Al 和粗大的初晶 Si 和共晶 Si 被大大的细化，第二相(Mg2Si 相等)也被大大细化且分布均匀[2-4]。
经分析，初晶硅和共晶硅由原来的 25μm 减小到 3μm，且均匀分布在 α-Al 基体上。 经测量，晶粒尺寸至少减小到原来的 1/10。 这主要是因为激光的快速加热使合金组织瞬间熔化， 由于激光本身的自激冷(冷却速度达 103K/s)作用和铝活塞合金高的传热速率使重熔组织很快冷却， 大量的晶核来不及长大形成细小的晶粒。
图 2(a)为激光重熔后从表面到基体(垂直方向，由上相下)的金相显微组织变化。 激光重熔区域呈半圆形，从基体到表面由树枝晶逐渐变为等轴晶，晶粒尺寸也逐渐变小。 树枝晶的形成主要是基体高的热导率和低的温度使固液前沿形成很大的过冷度，产生了负的温度梯度，使铝活塞合金以树枝状生长。在表面附近过冷度变得比较平缓， 受到基体附近的热流方向影响较小，形核率很大，又因为激光自激冷作用影响较大，凝固很快，形成细小的等轴晶。
图 2 (b) 为平行方向上激光重熔的金相显微组织。 可看出在平行方向上，从重熔区中间向基体(由左向右)由等轴晶变为树枝晶。 并且等轴晶的晶粒比树枝晶细小。 树枝晶的方向与激光重熔方向近似垂直。基体温度低且传热快，使固液前沿造成很大的过冷度。热流方向由中心指向基体，树枝晶与温度梯度方向保持一致。 到了中心区域， 温度梯度变得平缓，造成大的成分过冷，或枝晶被打碎，加上快的冷却速度，使树枝晶停止生长，这些因素会促进等轴晶的形成。
从图 2(a)、(b)综合可以看出， 在重熔区和基体之间存在一个过渡区，在这个区域中，有些粗大的初晶硅和 α-Al 还没有来得及被细化，黑色的第二相也没有来得及细化。 这主要是因为这个区域重熔不够充分，共晶硅、初晶硅和其他相来不及熔化或呈半融化状态。
2.2 激光重熔前后相的变化
激光重熔前后铝活塞合金的扫描电镜照片，如图 3 所示。 在扫描电镜下可以看到激光重熔前有大块的初晶硅、 共晶硅、α-Al、τ 相 (Al-Cu-Ni)、Q 相(Al5Cu2Mg8Si6)、θ 相 (CuAl2)、M 相(Mg2Si)、Al-FeMn相等。激光重熔后没有明显的第二相，能谱分析显示各处的成分比较均匀并且非常接近合金成分， 为过饱和固溶体。 激光的快速加热使铝活塞合金快速熔化，各相都溶解在 α-Al 基体中，由于激光的自激冷作用和合金本身高的传热速率使其快速凝固， 第二相来不及析出，就形成了过饱和的固溶体。过饱和固溶体使 α-Al 晶格发生畸变， 起到固溶强化作用，这也是激光重熔强化铝活塞合金的理论基础。
激光重熔后对试样再进行(215±5)℃×6h 时效处理，其透射电镜照片如图 4 所示，激光重熔后对铝活塞合金进行时效，析出了细小的第二相，如梅花状的 Cu2Al 相和细长针状的 Al3Ni 相。 析出的第二相与激光重熔前析出相相比，变得更为细小。析出的第二相弥散在 α-Al 中，起到了弥散强化的作用。
2.3 激光重熔前后的硬度变化
激光重熔后测试其显微硬度值， 其平均显微硬度值 197HV 高于基体的显微硬度值 134HV (其布氏硬度为 127HB)， 比激光重熔前基体的显微硬度提高了近 50%。 这主要是激光重熔后晶粒细化的缘故。 另一方面激光重熔后 α-Al 形成过饱和固溶体，使晶格畸变[9]，这也是硬度增加的原因。 随着时效的进行， 激光重熔形成的过饱和固溶体中会析出弥散的细小的第二相，也使激光重熔后的硬度有所增加。硬度增加在一定程度上可以提高铝合金活塞的高温耐磨性能， 提高了铝合金活塞的综合性能。 晶粒细化、 固溶强化和弥散强化共同提高了铝活塞合金的综合性能。
3 激光工艺参数对晶粒细化、熔深、熔宽的影响
激光工艺参数对晶粒细化的程度、熔深、熔宽有较大的影响，如表 2 所示。 激光功率为 3.0kW 时，随扫描速度的增加， 熔深大体呈下降趋势， 熔宽也减小。扫描速度相同时，随激光功率的增加，熔深增加，熔宽略微增加。熔深与激光扫描速度存在如下关系：
D=KV-n(其中 K、n 均为常数，V 为扫描速度)[10]。 激光功率对熔宽的影响相对较小，熔宽主要受离焦量(光斑直径)的影响。 随着扫描的进行，熔宽逐渐变大，这主要是因为铝活塞合金有很好的导热性能， 激光的热量传递到后面， 使后面的合金在需要更少的激光能量下就能熔化，因此，熔宽变大。
相同的激光功率下扫描速度越快， 晶粒细化的越好，如图 1(b)和图 2(b)所示，同样在 1000 倍金相显微镜下， 可以发现，3#试样的晶粒尺寸明显比 7#试样的晶粒细小。 这是因为，功率相同时，激光扫描速度增加，使合金的凝固速度加快，晶粒来不及长大。
从晶粒细化的角度来说，功率一定时，扫描速度越快越好。但是扫描速度变快会使熔深变浅，应该在兼顾熔深的同时尽量提高激光的扫描速度， 找出合适的激光工艺参数。经过分析，3#试样的晶粒细化程度和硬度提高都较其他的激光工艺参数要好。
4 结论
(1) 激光重熔后晶粒尺寸细化为原来的 1/10 左右，晶粒尺寸由原来的 25μm 减小到 3 μm，这主要是由激光的快速加热和冷却造成的。
(2) 激光重熔后的显微组织为过饱和的固溶体，过饱和固溶体使 α-Al 晶格畸变，使硬度增加。
(3) 激光重熔时效后，会析出细小的第二相，且比基体第二相更为细小，起到弥散强化的作用。
(4) 激光重熔后比原来基体的显微硬度提高50%左右。 扫描速度增加有利于晶粒细化；激光功率和扫描速度对熔深有较大的影响。
(5) 激光重熔的强化机制主要为细晶强化、固溶强化和弥散强化。
参考文献略
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