中年|清华大学：激光抛光对增材制造H11模具钢表面进行抛光 |激光|抛光|

江苏激光联盟导读：
清华大学联合弗劳恩霍夫研究所、亚琛工大对增材制造H11模具钢的粗糙表面进行了激光抛光。采用多步骤激光抛光的办法，目前可以获得的最小光洁度为Ra=0.05μm 。激光抛光时高的温度梯度、短的作用时间以及多个回火循环造成细小的晶粒结构。每一次及激光抛光都会造成表面边界层的碳发生脱碳。脱碳伴随的CO2和O2的逸出同较少的马氏体相变、、低的硬度和低的表面粗糙度密切相关。激光抛光同时会在表面造成最高可达926MPa的残余应力。这一成果发表在近期出版的期刊《Materials and Design》上。
论文的Graphical abstract

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研究背景：

在当今，工模具的应用领域非常广泛，其被设计和制造成各种类型以满足工业应用，如航空航天、汽车、电子等。对压铸模具来说， H系列热作模具钢是至关重要且普遍应用的钢种。如AISI H11热作模具钢就是压铸模具中比较理想的一种钢材，该钢材具有优异的机械性能。该钢种属于含Cr系模具钢， AISI H11钢具有非常高的硬度。抗冲击能力和强韧性，从而使得该钢种极易适合用于高载荷下的热金属成型加工。因此， H11模具钢在工模具加工领域应用极为广泛并成为许多工具、模具的标准用材，如挤压模具。而激光的材料加工在制造、修复、表面精饰这些模具上正变得越来也重要。如Sames等人在文章中指出激光增材制造，如LPBF和DMD的引入，会在模具钢领域中占据越来越大的比重。实际上，关于H11模具钢的3D打印在2003年就已经有相关报道。近年来关于3D打印H11模具钢的报道和应用日益增多。
采用连续激光进行激光抛光的示意图（a）和采用脉冲激光进行抛光重熔的示意图（b）

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激光抛光时的光学组件示意图（a）和实物图的照片（b）

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然而，不管是那种3D打印技术，其表面粗糙度总是不能令人满意。激光选区熔化马氏体时效硬化钢的表面粗糙度小于Ra=5μm已经被认为是目前比较低的水平啦。因此，表面粗糙度经常需要采用后续工艺进行降低。
样品表面的粗糙度

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一种可以降低金属表面粗糙度的相对较新的技术是激光抛光（Laser polishing ，LP）。从本质上来讲，激光表面抛光技术实际上是一种微焊接技术，该技术是通过熔化表面层的边界，然后熔化层在凝固成光滑状态来实现的。激光表面抛光过程是一个在空间分布的热过程和由于快速加热、快速冷却所形成的极端温度梯度的工艺过程。
采用参数P1到P4进行LP之后的表面金相图（上部）和SEM照片图（下部）

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Marrow等人预测采用脉冲激光抛光时，其冷却速率最高可达10exp（7）到10（9）K/S 。激光抛光工艺作为传统工艺制造工模具时的最后一道加工工序，同时将这一工艺用于LPBF和LMD工艺的最后一道加工工序也是非常有趣的。这一尝试早在2007年就有人进行过尝试。采用激光抛光作为3D打印制造的精加工工序特别有趣，在于激光打印时所使用的激光源同激光抛光所用的激光源是一样的，如都是连续激光、disk激光等。在本质上，这些光源同样适用于激光抛光。而且， Rosa等人曾经尝试过采用激光抛光的工艺来提高3D打印316L不锈钢制品的表面粗糙度。因此， LP工艺实际上是一种利用激光熔化表面的粗糙区域形成熔池，进而让熔池在局部空间重熔分布形成凝固而获得光滑表面的过程。因此，此处的LP工艺不涉及到材料损失的过程。
参数P3作用下得到的激光表面抛光时的截面SEM组织图（a）；EBSD截面图（b）；采用伪彩色图像处理技术得到的晶粒方向

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主要研究成果

该研究团队首先研究了多道激光抛光对模具钢表面重熔层的显微组织的影响。采用四套不同的参数组合，首先对退火态的模具钢H11进行了研究。紧接着，采用连续激光和脉冲激光进行了多步骤重熔，从而显著的降低了表面的粗糙度。重熔层采用表面粗糙度测量仪、XRD、EBSD、GDES以及纳米硬度测试仪进行了测量表征。
激光表面抛光导致了晶粒细化和显微硬度的显著增加。较低的碳浓度同表面低硬度密切相关，表面最低硬度为366Hv 。激光抛光后表面残余应力最高可达926MPa 。总体而言，高的温度梯度，尤其是由于碳扩散迁移造成的脱碳过程是激光抛光过程中粗糙度变化和显微组织、性能变化的最关键的驱动力。
采用伪彩色图像处理技术对在参数p1-p4条件下进行激光抛光得到的硬度随位置变化的分布图

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激光3D打印的AISI H11样品进行激光抛光的实物图

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【中年|清华大学：激光抛光对增材制造H11模具钢表面进行抛光】

中年|清华大学：激光抛光对增材制造H11模具钢表面进行抛光

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