大功率半導體激光制造模具材料工藝及性能研究*

牛麗媛，林繼興，童先，曹洪剛，曹云龍，王文權，李光玉

(1.浙江工貿職業(yè)技術學院，溫州325003；2.溫州萊特激光工程研究院有限公司，溫州325003；3.吉林大學，教育部汽車材料重點實驗室，長春130025)

大功率半導體激光制造模具材料工藝及性能研究*

牛麗媛1，林繼興1，童先2，曹洪剛3，曹云龍3，王文權3，李光玉3

(1.浙江工貿職業(yè)技術學院，溫州325003；2.溫州萊特激光工程研究院有限公司，溫州325003；3.吉林大學，教育部汽車材料重點實驗室，長春130025)

為提高金屬模具材料的性能，研究了激光增材技術(3D打印)、激光熔覆技術和激光淬火技術等。結果表明：激光3D打印技術制備的鎳基合金表面結晶細致均勻，可用于制造模具鑲塊材料。在25號鋼上激光熔覆鈷基合金制備的模具材料的硬化層深度可達1.45 mm，模具硬度達到維氏硬度500以上。半導體激光淬火處理作為H13鋼熱處理的最后一道工序，使模具鋼的硬度提高了50%以上。

大功率半導體；激光制造；模具材料；高硬度

0 前言

模具鋼在服役條件下，由于強度和硬度不夠，在承受各項沖擊載荷時出現(xiàn)失效，影響模具的使用壽命，提高了生產成本。借助激光成型和激光熔覆技術可以提高模具的表面硬度，延長模具的使用壽命[1-3]。近年來大功率半導體激光技術的快速發(fā)展促進了激光在模具領域的應用[4]，各種激光加工技術及新型熔覆材料的發(fā)展使模具的激光加工應用越來越廣泛[5-7]。模具的激光加工可分為下列幾種方法：

第一，采用普通鋼作為模具材料熔覆硬化層。采用普通鋼代替昂貴的模具鋼，進行激光熔覆處理獲得高性能模具材料，尤其適合模具導套等部位。激光處理形成的馬氏體比常規(guī)淬火有更高的缺陷密度。殘余奧氏體也獲得極高的位錯密度，從而使模具材料具有畸變強化效果，強度大大提高。

第二，采用3D打印技術制作鑲塊材料代替貴金屬。采用激光熔覆鈷合金技術制造鑲塊材料，成本低，可修復。

第三，激光強化模具表面。激光強化模具表面比其他技術獲得的強化層深，硬度更高。通過控制激光處理工藝參數(shù)，實現(xiàn)硬度、層深可控。

第四，激光淬火模具延長壽命。激光強化可作為模具制造熱處理后的最后一道工序，提高模具的耐疲勞強度，延長使用壽命。

本研究采用大功率半導體激光器激光熔覆制備高硬度模具材料，目的為實現(xiàn)硬化層深度可控，提高表面硬度，消除模具表面應力等。

1 試驗方法及試驗材料

采用中國科學院長春光學精密機械與物理研究所開發(fā)的高功率半導體激光器，工作模式采用準連續(xù)激光輸出，研究激光處理的激光功率密度、掃描速度、光斑尺寸等參數(shù)的作用。

激光3D打印使用的試驗材料為鎳基合金。在厚度為10 mm的304不銹鋼底座上熔覆鎳基合金，采用機械手進行多層熔覆，通過對機械手的編程實現(xiàn)成型后的部件形狀可控，每層最佳厚度由本實驗得出，當熔覆到要求的厚度時，切除不銹鋼底座，得到3D打印成型的鈷基合金材料，通過適當?shù)臋C械加工得到需要的形狀。

激光熔覆使用的試驗材料為25號鋼，表面磨光后去除氧化皮并清潔表面，激光熔覆鈷基合金。

激光淬火處理使用的試驗材料為H13模具鋼，表面經(jīng)磨床磨平，經(jīng)過2次保溫及高溫淬火后回火2次，然后進行激光淬火。

2 結果與討論

2.1 激光增材制造模具的工藝及性能

2.1.1 激光增材制造模具工藝

激光增材制造也稱為激光3D打印制造，是激光熔覆技術的升級。激光熔覆是表面優(yōu)質涂層的制備，而激光3D打印制造直接成型則是整體制造的工藝，在控制要求上更為困難和嚴格。

本研究制備的模具材料為模具鑲塊材料。在厚度為10 mm的304不銹鋼底座上熔覆鎳基合金，采用機械手熔覆得到要求的部件的形狀，然后去除不銹鋼，通過機械加工得到3D打印成型的鈷基合金鑲塊材料。

2.1.2 激光增材制造模具材料微觀性能

圖1為激光3D打印制造鎳基合金鑲塊材料的金相組織圖。由圖可知3D打印制造的鎳基合金為等軸狀晶體，枝晶的生長方向大部分垂直于基底，結晶均勻細小。

圖1 激光3D打印制造鎳基合金鑲塊材料的金相組織

2.1.3 激光增材制造模具材料的硬度

圖2顯示了不同激光功率下制備的模具熔覆層的硬度值，功率分別為1.2 KW，1.5 KW，1.8 KW，2.1 KW，2.5 KW，掃描速度為800 mm/min。隨著激光功率的變化顯微硬度值先升高后降低，在激光功率為1.5 KW時其硬度值最大。因此最佳激光功率為1.5 KW，根據(jù)試樣面積得出最佳的激光功率密度3.7 KW/cm2～4.2 KW/cm2。

試驗還發(fā)現(xiàn)，熔覆層各個點的硬度值不同，參見圖2，當激光功率為1.5 KW時，在距離基底0.05～0.20 mm處，顯微硬度值在378.9～339.6變化，幅度變化范圍較小。因此，激光3D制備鎳基合金的最佳激光功率為3.7 KW/cm2～4.2 KW/cm2，掃描速度為800 mm/min。每層最佳厚度為0.15～0.2 mm。

圖2 不同激光功率下顯微硬度分布

2.2 激光熔覆制備硬化層的工藝及性能

2.2.1 激光熔覆制備硬化層工藝

采用普通25#鋼代替昂貴的模具鋼，激光熔覆獲得高性能模具材料。試驗得到的參數(shù)為激光功率密度3 KW/cm2，光斑尺寸為14 mm×2 mm，掃描速度720 mm/min～810 mm/min，用聚焦光束掃描試樣表面，采用側送粉的方式，側吹Ar氣用來保護熔池，防止熔覆過程中發(fā)生氧化及產生的煙塵和飛濺物污染鏡片。

2.2.2 激光熔覆制備硬化層制造模具材料微觀性能

由圖3可見熔覆層組織基本均勻，無氣孔、裂紋缺陷；熔覆層的深度H為1.4 mm，基材的熔化深度為15.29 μm，稀釋率為1.06%，圖中可見在熔覆層和基體之間形成了白亮帶，說明熔覆層與基底之間具有良好的冶金結合，稀釋率低。

圖3 激光熔覆制備硬化層鈷基合金材料的金相組織

2.2.3 激光硬化層鈷基合金材料硬度

25號鋼的硬度值HV為171.2，經(jīng)過激光硬化層鈷基合金，硬化層的硬度超過HV500，且硬化層厚度可控。采用價格低廉的25號鋼激光熔覆鈷基合金，模具材料成本低，硬度高，具體見表1所示。

2.3 激光淬火提高硬度的工藝及性能

2.3.1 激光淬火工藝及性能

采用的基體材料為H13模具鋼。表面經(jīng)磨床磨平。在進行激光淬火前，先對試樣進行預熱處理，表面經(jīng)磨床磨平。在進行激光淬火前，先對試樣進行常規(guī)熱處理，578℃～582℃保溫39 min～42 min，之后在818℃～822℃保溫14 min～15 min，在1 030℃高溫淬火后580℃回火2次，每次2 h。然后進行激光淬火。實驗采用的激光器為最大功率為4 KW的半導體激光器。

表1 激光硬化層鈷基合金材料硬度值

實驗發(fā)現(xiàn)激光淬火工藝的最佳參數(shù)是功率密度2.1 KW/cm2，激光掃描最佳的搭接率30%～40%，掃描速度800 mm/min～1 200 mm/min。

試驗采用的H13模具鋼經(jīng)過常規(guī)熱處理后HV 480-500，在功率密度18 KW/cm2～2.1 KW/cm2激光淬火處理后，最高硬度達到777.5 HV0.2，硬度提升了50%以上。

2.3.2 激光熔覆制備硬化層制造模具材料微觀性能

圖4為H13模具鋼激光淬火后采用掃描電子顯微鏡觀察得到的組織。激光淬火后，在基體表面產生一定厚度的硬化層。激光淬火是一項快速加熱快速冷卻的技術，H13鋼在激光照射下迅速達到奧氏體化溫度，奧氏體化使晶粒來不及長大就轉變成細小的馬氏體組織。激光淬火后的馬氏體為板條狀馬氏體和孿晶馬氏體，位錯密度極高。

圖4 H13模具鋼激光淬火的金相組織

3 結論

第一，激光3D打印技術制備的鎳基合金表面結晶細致均勻，激光功率密度3.7 KW/cm2～4.2 KW/ cm2，掃描速度為800 mm/min，每層最佳厚度為0.15～0.2 mm。

第二，在25號鋼上激光熔覆鈷基合金制備的模具材料的硬化層深度為1.45 mm，模具硬度達到維氏硬度為504～620，與基體的結合模式為冶金結合，可節(jié)約材料延長模具的使用壽命。

第三，H13鋼在進行常規(guī)熱處理后，再進行激光淬火，表面光滑，硬度提高了50%以上。

[1]丁陽喜,周立志.激光表面處理技術的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].材料熱處理,2007,36(6):69-72．

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（責任編輯：韓少忠）

Study on the Process and Properties of Mould Material Formanufacturing by High Power Semiconductor Laser

NIU Li-yuan1,LIN Ji-xing1,TONG Xian2,CAO Hong-gang3,CAO Yun-long3,WANG Wen-quan3,LI Guang-yu3
(1.Zhejiang Industry&Ttrade Vocational College.Wenzhou,325003,China;2.Wenzhou Laite Laser Engineering Research Institute Co.Ltd.Wenzhou,325003,China;3.Key laboratory ofAutomobile Materials, Ministry of Education,Jilin University,Changchun,130025,China)

In order to improve the performance of metal mould material,three kinds of manufacturing laser processing technology were used in this paper:material increasing technology(3D printing),laser cladding technology and laser quenching technique.The results showed that:nickel base alloys prepared by crystalline 3D laser printing technology were uniform,which could be used in the manufacture of the mold insert material.The depth of the cobalt base alloy on the 25#steel surface was1.45mm,and hardness was more than HV500.Hardness of H13 steel after laser quenched increased more than 50%.

high power semiconductor;laser manufacturing;mold material;high hardness

TN244

A

1672-0105（2014）04-0055-03

10.3969/j.issn.1672-0105.2014.04.014

2014-11-01

2013年溫州市科技計劃項目（J20130020）

牛麗媛（1963—），女，教授級高工，博士，主要研究方向：金屬材料、激光加工、涂層及生物醫(yī)用材料。