为了研究基于光束离散的激光相变硬化蠕墨铸铁RuT300材料的应力分布状态,构建了离散激光相变硬化RuT300弹塑性本构模型,分析温度对热应力和残余应力的影响。结果表明:材料表面较大的热压应力分布与二维离散点阵光斑相对应,激光快速加热引起的材料各部分温度差异使得模型X轴路径上的热应力呈波浪形分布,离散光斑加载区域的X、Y方向热应力峰值为-635 MPa,约为Z方向的1.8倍,随着深度的增加,模型截面热应力逐渐降低;材料表面激光加载区域的残余应力大于非加载区域,X、Y方向的残余拉应力为主要残余应力,应力值在200 MPa 左右,X轴路径上X方向的残余应力最大;随着激光功率的增加,残余应力峰值增大,材料受较大残余应力影响的区域扩大,延长激光加热时间时,加载区域残余应力峰值的变化幅度在2.4 MPa内。

为了提高材料表面的耐磨性,实现材料的强韧结合,采用激光热流密度均匀分布的二维离散式5×5点阵光斑,对蠕墨铸铁材料的激光相变硬化过程进行数值模拟,通过改变激光功率和激光加载时间,分析了硬化过程中温度场和硬化层的变化。结果表明:基于光束离散的激光相变硬化温度场分布形态与点阵光斑的空间分布相对应,在激光加载结束时,每个小光斑中心点的温度同时达到峰值,整个光斑中心点的温度因各光斑温度场的叠加而达到最高,且沿着各光斑中心点的温度分布呈波浪形;在截面上随着深度增加,温度逐渐降低,材料的整体温度随着激光功率的增大和激光加载时间的延长而升高;各激光离散光斑的硬化层均呈月牙形,随着激光功率增大,截面硬化层的分布基本不变,处于离散分布状态;随着激光加载时间延长,硬化层从离散形向整体月牙形转变,且数值模拟所得硬化层的最大深度随着2种激光参数的增大而增大;在激光光束离散相变硬化处理过程中,增大激光功率既可以满足材料表面激光辐照的高硬度强化区域与激光未辐照的低硬度非强化区域的强韧结合,又能够增加硬化层深度,而延长激光加载时间虽然可以获得更大的硬化层深度,但热传导传递能量具有累积作用,导致材料表面激光辐照区和非辐照区整体被强化,不能实现材料表面的强韧结合。

通过建立高强化柴油机气门座激光相变硬化温度场的数值模拟模型,分析了激光相变硬化过程中工艺参数对气门座温度场的影响。结果表明,随着激光功率的增大,气门座相变硬化的峰值温度升高,温度场呈拖尾的彗星状,硬化层的深度和宽度增大;随着扫描速度的增大,气门座相变硬化的峰值温度降低,温度场拖尾的彗星形状减小,硬化层的深度和宽度减小;随着光斑半径的增大,气门座相变硬化的峰值温度降低且位置发生偏移,温度场拖尾的彗星形状增大,硬化层的深度减小。

采用实验与神经网络预测相结合的方法, 对基于温度控制的激光相变硬化工艺参数进行了研究。首先, 使用基于温度可控的大功率半导体直接输出激光加工系统对45#钢进行设定温度下的激光相变硬化实验。然后, 通过改进的BP神经网络算法构建神经网络模型, 并采用所获得的实验样本数据训练该人工神经网络模型。模型中所采用的改进BP神经网络算法是遗传算法和基于新型误差函数的批量训练神经网络算法相结合的混合算法。为验证改进算法的性能, 在Lab Windows/CVI软件上应用C编程语言实现了该算法。通过运行程序发现, 采用此算法的收敛速度比传统算法提高了约80%, 预测输出的指标与实际值之间的偏差小于4%。

半导体激光器及其工业应用是激光领域研究与发展的热点，国内大功率半导体激光器的发展已经取得了较大进展，但基于国产大功率半导体直接输出激光器的自动化加工装备研究较少。研制了国产大功率半导体直接输出激光加工系统，开发了基于DSP的嵌入式激光加工过程检测与控制系统，设计了用于该系统闭环温度控制的模糊控制算法，并取得了良好的温度控制效果。基于该平台开展了激光宽带相变硬化实验，实验表明：在温度控制模式下，相变硬化层深度和硬度的一致性要优于恒定功率模式。

采用4 kW光纤激光器对厚度为4.5 mm的热轧700 MPa级纳米析出强化钢进行激光相变硬化处理, 主要研究激光功率、扫描速度对相变区组织、硬度及耐磨性的影响。结果表明, 激光相变区呈“月牙形”, 主要由三个部分组成, 由外至内依次是表面微熔区、相变硬化区和过渡区, 三个区域的组织依次分别为马氏体＋粒状贝氏体、马氏体和细小马氏体＋铁素体。激光相变硬化处理后相变硬化区和过渡区(统称“硬化层”)硬度得到提高, 平均硬度比基体提高了40～80 HV0.3。随着激光功率的增加或扫描速度的减小, 硬化层深度逐渐增加, 功率为3.5 kW时硬化层深度达到1.1 mm。当扫描速度为20 mm/s, 激光功率在2.0～3.5 kW之间时, 激光相变硬化后试样的耐磨性较基体提高了29%～44%。研究结果表明激光相变硬化可显著提高实验钢的表面硬度和耐磨性能。

用激光相变硬化技术制备45 钢冲击试样(V 型槽口),并对试样进行冲击试验，研究了激光功率对45 钢激光表面硬化冲击试样冲击韧性值的影响。通过光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察了试样表面显微组织和断口的形貌特征。对常规热处理试样和激光表面硬化试样断口进行对比分析。结果表明，常规热处理试样断裂后断裂表面均表现出韧性断裂后的韧窝特征，激光硬化层起裂区呈现脆性断裂特征。经激光硬化后钢件的断裂机制发生改变，导致激光硬化试样冲击韧性值的下降。45 钢激光表面硬化冲击试样冲击韧性值随着激光功率增加而逐渐减少。

利用Sysweld有限元软件建立三维有限元模型，采用三维高斯热源，考虑材料热物性能随温度的变化，对平板和回转体内壁进行了激光相变硬化数值模拟。分析了温度场、残余应力以及马氏体分布的异同，研究了工件形状对激光相变硬化温度场和残余应力的影响规律。结果表明，在表层方向上，平板模型和回转体内壁模型的热循环相似；截面方向上，内壁模型峰值温度高于平板模型。处理后相变区组织均主要以马氏体为主，其体积分数约为90%。相变区边缘及热影响区产生残余拉应力，相变区存在残余压应力；与内壁模型相比，平板模型相变区中心残余压应力数值较大。

为了探讨1Cr18Ni9Ti不锈钢组织及性能的变化，采用激光相变硬化处理的方法,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、磨损试验机、恒电位仪等研究了激光相变硬化层的组织及性能。进行了理论分析和实验验证，取得了激光相变硬化层的硬度、耐磨性、耐蚀性数据。结果表明，激光相变硬化层主要由奥氏体、马氏体、Fe-(Cr，Ni)以及Fe等组成。随着激光功率的增大，平均显微硬度先增加后减小，在功率为750W时，平均显微硬度达最大值，为223.5HK；在功率为550W时，耐磨性最好，磨损率为基体的56%。激光相变硬化处理后耐蚀性增强；最小的维钝电流密度是基体的33%，最大的钝化稳定区长度是基体的7倍。这一结果对研究1Cr18Ni9Ti不锈钢组织及性能的转变是有帮助的。

采用商业有限元软件ProCAST, 建立了激光相变硬化温度场的3维数值模拟模型, 对球墨铸铁QT600-3进行激光相变硬化的数值模拟研究, 计算了表面淬火的温度场, 根据温度场预测了硬化层的深度和宽度。激光功率在800～1 000 W之间, 激光扫描速度在2.000～2.667 mm/s之间, 光斑直径在4～5 mm之间时, 计算得到的硬化层深度在0.20～0.64 mm之间, 硬化层宽度在2.0～3.7 mm之间。球墨铸铁数值模拟结果与试验基本吻合, 两者变化趋势一致。