為了獲得較大的激光硬化表面，通常采用激光淬火帶搭接的方法，后續(xù)掃描將在鄰近的已硬化帶造成回火軟化區(qū)，致使強(qiáng)化效果減弱，搭接量控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致淬火裂紋形成。為了實(shí)現(xiàn)無軟化區(qū)較大面積的激光淬火，需用寬帶束掃描系統(tǒng)，采用快速擺動(dòng)光束的方法，實(shí)現(xiàn)低功率、慢速掃描激光淬火。因此，激光淬火后所獲淬硬區(qū)結(jié)構(gòu)和硬度分布將有新的特點(diǎn)。

        試驗(yàn)用材料的40Cr鋼，原始狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。激光淬火樣品尺寸為45mm×45mm×10mm。選用三組樣品。經(jīng)表面磷化處理后，采用CGJ-Ⅲ型激光熱處理寬帶掃描轉(zhuǎn)鏡(轉(zhuǎn)速為2000r/min)，在CGJ-93型5kW數(shù)控CO2激光處理系統(tǒng)上進(jìn)行寬帶激光淬火。實(shí)用功率皆為3kW，掃描速度分別70、90和110mm/min，掃描寬度為20mm，處理后的樣品沿淬硬層方向每隔0.3mm切5個(gè)薄片。在MTP-1型電解儀上制成透射電鏡樣品，在日立H-800透射電鏡上進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察，操作電壓為200kV。顯微硬度測試在∏MT-3型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，載荷50g，加載時(shí)間15s。  

         圖1為40Cr鋼在掃描速度為70mm/min時(shí)硬化表層的顯微組織。在透射電鏡下大量不同視場的觀察發(fā)現(xiàn)，馬氏體的板條界較平直，內(nèi)部存在大量纏結(jié)位錯(cuò)。在某些板條內(nèi)還存在平行排列的微細(xì)孿晶(圖2)，對(duì)孿晶區(qū)進(jìn)行選區(qū)電子衍射，經(jīng)常出現(xiàn)相同的衍射花樣，電子衍射分析表明，孿晶界面為{112}，屬相變孿晶。在板條馬氏體上進(jìn)行多處選區(qū)電子衍射分析，利用某一衍射斑點(diǎn)進(jìn)行暗場成像，經(jīng)常能顯示馬氏體板條間存在長條狀組織。這種長條狀組織和報(bào)道的薄膜狀殘余奧氏體形態(tài)吻合[1]。圖3a)是板條馬氏體明場像。圖3b)是與圖3a)相對(duì)應(yīng)的暗場像(成像斑點(diǎn)是奧氏體的{111}A)，圖3b)中的條狀亮區(qū)是殘余奧氏體。這些奧氏體不連續(xù)地分布在馬氏體板條之間。

 
圖1 板條馬氏體和纏結(jié)位錯(cuò)(70mm/min)

 
圖2 相變孿晶

 
圖3 殘余奧氏體

         隨著距表面距離的增加，出現(xiàn)針狀馬氏體。而且隨著層深的增加，板條馬氏體縮短變粗，板條內(nèi)部出現(xiàn)亞晶塊，位錯(cuò)密度明顯減少(圖4)。距表面距離的進(jìn)一步增加，在局部地區(qū)出現(xiàn)回火析出碳化物(圖5)。

 
圖4 距表面0.3mm (a)和0.6mm (b)處馬氏體TEM顯微組織

 
圖5 距表面0.9mm處顯微組織

         與未硬化區(qū)交界的狹小區(qū)域內(nèi)加熱溫度低于Ac1線高溫區(qū)，原始組織將發(fā)生高溫回火轉(zhuǎn)變，生成回火索氏體組織。 根據(jù)以上分析硬化層可分為三層。第一層為完全淬硬層，由馬氏體加殘余奧氏體所組成。 這一層與激光束作用時(shí)間最長，加熱溫度最高，加之原始調(diào)質(zhì)組織成分比較均勻，加熱后形成的成分均一的奧氏體在急速冷卻時(shí)形成含碳較低的板條馬氏體組織。較深部位加熱溫度較低，但仍有較大的過熱度，只是由于碳在奧氏體中擴(kuò)散不充分，致使快速冷卻后形成低碳馬氏體和高碳馬氏體混合組織。第二層為過渡層，該區(qū)加熱溫度位于AC1~AC3之間，溫度梯度小，作用時(shí)間短，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體溶解均不充分，冷卻后形成馬氏體+鐵素體+滲碳體混合組織;第三層為原始組織高溫回火區(qū)。 
         圖6是顯微硬度沿激光淬火區(qū)層深分布曲線。在激光快速加熱和高速冷卻過程中，晶體缺陷密度激增，導(dǎo)致硬化層具有較高的硬度，最大值達(dá)780HV0.05。由于激光加熱相變完成時(shí)間短，奧氏體成分不均勻，致使在隨后快速冷卻中形成高碳馬氏體和低碳馬氏體，使硬化層的硬度值隨掃描速度而發(fā)生不同程度的波動(dòng)。過渡層由馬氏體和α基體上分布的碳化物組成，硬度陡降，至高溫回火區(qū)降到最低值。由圖6可見，隨著掃描速度的增加，硬化層硬度略有提高。這主要是由于晶粒細(xì)化和殘余奧氏體減少產(chǎn)生的有利影響超過了因馬氏體含碳量降低而造成的負(fù)面影響。

 
圖6 不同掃描速度下顯微硬度沿硬化層深的分布

         實(shí)驗(yàn)所采用的CGJ-Ⅲ型激光熱處理寬帶掃描轉(zhuǎn)鏡，是利用光學(xué)轉(zhuǎn)鏡反射使光速快速擺動(dòng)，把點(diǎn)光源拉寬成線熱源。有文獻(xiàn)對(duì)線形光源在金屬材料表面產(chǎn)生的溫度場進(jìn)行的數(shù)值模擬顯示，激光光斑前沿材料表面有一預(yù)熱區(qū)，由于熱傳導(dǎo)激光光斑的后沿溫度分布形成一個(gè)“尾巴”。對(duì)于功率密度呈高斯分布的熱源，其能量主要集中在光斑中心。能量密度分布的上述差異，決定了在輸出功率相同的條件下線形光源的掃描速度應(yīng)比圓形光源慢。因而經(jīng)線形光源處理的樣品內(nèi)部碳元素?cái)U(kuò)散比較充分，垂直于掃描方向的淬火層組織分布比較均勻，硬度沿硬化層深分布也比較均勻，波動(dòng)幅度較少。但線形光源前沿預(yù)熱區(qū)的存在增加了材料表面對(duì)激光的吸收率，使得沿掃描方向溫度變化較大，晶粒易于粗化，這可通過連續(xù)改變掃描速度加以修正。此外，由于線形光斑后沿“尾巴”的存在，冷卻速度較慢，增加了淬火層中的殘余奧氏體含量。前期對(duì)40Cr鋼進(jìn)行線形光源和圓形光源激光淬火實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。值得注意的是，激光淬火層中殘余奧氏體可以在經(jīng)受塑性變形后轉(zhuǎn)變成馬氏體，有利于被處理材料耐磨性的提高。