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
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 。
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