熱處理對非常規加工重鑄層厚度的影響
| 作者：Alex Pohoata – F&B制造有限責任公司；美國亞利桑那州鳳凰城 |
非常規加工需要采用高溫或化學方法去除材料。利用材料的快速熔化進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激光束照射需要加工的部件產生的熱效應來去除材料。當激光束接觸到工件表面時，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)。與傳統的機加工不同，用激光去除的材料不會有碎屑殘留。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)
當熔化的材料凝固后，將在切口或打出的孔周圍形成一個所謂的“重鑄層”。重鑄層的厚度同工件材質、激光類型、激光束參數和切口厚度有關。圖2展示了激光束加工產生的重鑄層。
圖2. 激光束加工產生的重鑄層(1,000倍)
這個重鑄層對部件不利。它在部件表面產生拉應力，可能引起裂紋；如果基體材料本身已經存在裂紋，它會使裂紋進一步擴展。較厚、連續且較均勻的重鑄層會增大工件表面的應力，對部件壽命造成不利影響。
重鑄層的典型處理方法是，或者通過機械手段(比如修磨、去毛刺)將其去除，或者根據部件用途對其規定一個最大允許厚度。不過，在某些情況下，由于部件形狀復雜，重鑄層難以采用機械方法完全去除。
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行的熱處理對重鑄層厚度的影響。
實驗步驟
本實驗中使用了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)，在腐蝕狀態下測量重鑄層。
圖3. 激光切割狀態下的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，用水冷卻，然后自然時效到T4狀態。使用Kellers腐蝕劑對樣品進行腐蝕(圖4和5)。
圖4. 激光切割后熱處理到T4狀態的6061鋁合金(500倍)
圖5. 激光切割后熱處理到T4狀態的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1,800°F下退火20分鐘，然后用風機吹送氬氣冷卻到175°F。樣品用Fry試劑腐蝕，表面未觀察到氧化現象(圖7和8)。
圖7. 激光切割后經過退火處理的CRES321(200倍)
圖8. 激光切割后經過退火處理的CRES321(500倍)
對于厚0.082英寸的Incoloy903(UNS N19903)，樣品經過固溶熱處理和沉淀硬化后用改進的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生的重鑄層，結果列于表中。
經過熱處理后，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合牢固。
結論
熱處理能夠改善采用非常規方法加工的部件表面質量，可以用在一些難以采用機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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