1　引言

模具表面精加工是模具制造过程中的一道重要工序，但一直未能得到很好的解决，特别是对硬度较高的淬硬钢表面的精加工。模具的精抛光仍然需要手动抛光去完成，占整个模具总制造时间的20%以上^［1］。激光抛光是一种非接触式表面处理技术^［2］，相对于铣削、磨削^［3］、电化学抛光^［4］等传统减材加工技术，激光抛光具有非接触、无环境污染、可选择区域等优点。其原理是激光能量作用在材料表面，使材料表面的温度迅速升高，当温度达到材料的熔点时，材料表层物质开始熔化。熔化后，熔融材料在重力的影响下由曲率高的地方向曲率低的地方流动，从而实现材料的再次分配并获得光滑表面。

随着近几年激光技术的飞速发展^［5］，激光加工设备成本大幅降低。激光抛光技术是基于高能量激光束下材料表面薄层的微熔和固化。Ramos-Grez等^［6］认为在激光抛光作用下的表面改性有两种状态：表面浅熔融（SSM）和表面过熔融（SOM）。未经过处理的材料表面由许多大小不一的峰和谷组成，SSM是由于激光束作用在材料表面时间较短，在峰腰及其以上位置形成熔融区域，熔融区材料在自身的重力和表面张力以及其他形式力的影响下，由上至下填满谷底从而获得更低的表面粗糙度。而SOM是由于激光束作用在材料表面时间较长或能量密度过大，材料表面完全熔化，作用在熔池表面的力持续时间大于熔池本身的凝固时间，以至于熔融材料还未停止振荡就已经凝固，重新生成了不平整表面。Bhaduri等^［7］研究了能量密度对三维（3D）打印316L不锈钢表面特征的影响，结果发现：当能量密度为18~20 J/cm²时，表面烧蚀严重，产生了表面过熔融现象；当能量密度低于13 J/cm²时，材料表面产生了闪亮的金属光泽，相比于高能量密度，此时的表面抛光效果更好。还研究了脉冲激光在X和Y方向的重叠率对表面粗糙度的影响，试验结果表明，无论是X方向还是Y方向，在重叠率82%~95%范围内，随着重叠率的增大表面粗糙度逐渐降低。黄加福等^［8］研究了影响激光抛光效果的各类因素，结果表明，激光能量密度与激光辐照时间对抛光效果影响最大。Mai等^［9］通过改变焦距来改变光束照射到工件表面的光斑直径以及功率密度，试验结果表明，合理地改变离焦量可以获得更光滑的表面形貌。Chow等^［10］对初始表面粗糙度分别为700 nm、300 nm、250 nm的AISI H13试样进行了试验，结果表明，离焦量的范围在1.3~1.8 mm时，700 nm的初始表面粗糙度工件获得的抛光效果最佳，而对于初始表面粗糙度为250 nm的工件没有产生明显的改善。不同的初始表面需要不同的激光参数进行抛光，将抛光高表面粗糙度的激光参数应用到低表面粗糙度工件上则效果不佳，甚至可能产生反效果。廖聪豪等^［11］研究了激光抛光对增材制造TC4钛合金表面耐蚀性的影响，结果表明，抛光后钛合金表面粗糙度的降低会导致自腐蚀电位升高。激光抛光既能抛光非金属材料，例如玻璃^［12］、陶瓷^［13］、光学材料KDP晶体^［14］等，又能抛光金属材料。国内外研究学者对模具钢^［15-17］、不锈钢^［18-19］、工具钢^［20-22］、钛合金^［23-25］等金属材料进行了大量抛光试验，取得了良好的抛光效果。但是很少有关于激光抛光淬硬钢的研究。

本文采用波长为1064 nm的连续激光对DC53淬硬钢表面进行抛光研究。通过控制变量法研究了激光功率、扫描速度、扫描间距等因素对表面粗糙度的影响，并研究了抛光后的DC53淬硬钢材料性能。

2　材料和方法

2.1　试验材料

本文采用初始粗糙度R_a=4.829 μm 的DC53模具钢进行试验，其基本化学成分见表1。在热处理淬火＋回火后，硬度可达到10 GPa以上，且变形小，故模具精度较高，其耐磨性、切削性较好，模具寿命较长，同时节省了加工工时。较高的铬含量和少量的硅含量提高了DC53模具钢的硬度、耐磨性能和韧性，使其具有良好的抛光性能。在抛光试验前，对样品进行了淬火+回火处理，然后用线切割的方法切成100 mm×100 mm×5 mm的钢板。

2.2　试验设备和测试设备

抛光设备采用创鑫公司的波长为1064 nm的连续光纤激光器（MFSC-1000W），激光功率在150~1000 W范围内，所使用的激光振镜均是菲雷泰克生产的SDL-F20PR0-3，焦距为720 mm，激光器的可变焦范围为60 mm，激光光斑在焦点位置的直径为0.3 mm。本文所有抛光试验均在样品表面离振镜底部距离为720 mm处上进行，即不考虑离焦量。连续激光光束有两种能量分布形式，分别是高斯光束和平顶光束，试验中的连续激光器发射近平顶光束。

图1（a）、（b）分别为激光抛光试验装置和原理图。激光光源由激光器发出，扩束镜调整激光光束直径和发散角，镜片位于激光振镜内部，作用是调整激光光束位置，确保激光照射在工件表面上。为了防止工件表面在抛光时发生氧化，采用不会与材料发生反应的氩气作为保护气体。采用白光干涉仪（BRUKER WYKO Contour GT-K）和金相显微镜观察表面形貌，测量表面粗糙度，并对抛光前后的表面形貌进行功率谱密度分析。然后使用X射线衍射仪（XRD，Advance d8）对抛光前后的表面形貌进行XRD图谱分析。抛光后的样品通过线切割切成10 mm×10 mm×5 mm的小方块。为了避免线切割所产生的热影响，用150#的砂纸将样品的横截面打磨掉1 mm，然后依次用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#水磨砂纸粗磨，最后在Mo^®Pao2DE抛光机上采用转速300 r/min抛光至镜面，抛光液采用粒度为1.5的金刚石喷雾抛光剂。用纳米压痕仪（ContourGT）测量试样截面的压痕硬度（H）和杨氏模量。采用体积比为硝酸∶盐酸∶水=3∶1∶4的王水稀释液浸蚀5 s，用扫描电镜（Gmini300）观察抛光截面的微观结构，并进行能谱分析。使用多通道多功能电化学工作站（PARSTATMC）测量抛光表面前后的极化曲线，为了控制粗糙度对腐蚀性能的影响，未抛光试件表面通过砂纸磨到同抛光后一致的粗糙度再进行测量。测量时选用铂片电极作为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，工作电极即为待测样品，测量范围为10 mm×10 mm。电解池中选择质量分数为3.5%NaCl溶液作为电解液，通过比较自腐蚀电位和腐蚀速率来表征材料的耐腐蚀性能。

图 1. 激光抛光试验。（a）装置图；（b）原理图

Fig. 1. Laser polishing test. (a) Device diagram; (b) principle diagram

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2.3　试验方法

抛光前先用洗板水清洗样品表面，用乙醇清洁透光率为99.8%的石英玻璃，并用无尘布擦拭，以减少可控环境因素对试验的影响。为了研究连续光纤激光器的各种激光参数对DC53模具钢表面形貌的影响，本文分析了激光功率、扫描速度、扫描距离等因素对表面粗糙度的影响。首先采用不同激光功率、不同扫描速度的连续激光对样品进行抛光，抛光范围为10 mm×10 mm正方形区域。抛光后，分析各种激光因素对表面粗糙度的影响，找到最佳参数集。为了更大程度地降低表面粗糙度，在接下来的试验中引入可变的扫描距离。研究扫描间距（重叠率）对表面粗糙度的影响。

3　结果和讨论

3.1　工艺参数优化

为了研究不同激光功率、扫描速度对DC53模具钢表面粗糙度的影响，连续光纤激光器的试验参数如表2所示。在激光功率范围为150~210 W、扫描速度范围为10~70 mm/s、扫描间距为0.05 mm的条件下，共进行98次抛光试验，每次试验抛光区域大小为10 mm×10 mm。为了研究扫描速度对表面粗糙度的影响，在150~210 W的功率范围内进行了7组试验，图2显示了不同功率水平下扫描速度对表面粗糙度的影响。从图2可以看出，随着扫描速度的增加，R_a先减小后增大，大致呈U形曲线。在扫描速度为20 mm/s时，随着激光功率的增大，R_a并不是呈现单调关系。当激光功率增大到180 W时，获得了最佳的表面粗糙度。抛光后的表面相比初始表面而言，粗糙度得到大幅下降。

图 2. 不同功率下扫描速度对表面粗糙度影响

Fig. 2. Effect of scanning speed on surface roughness under different powers

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图3（a）是能量密度和表面粗糙度之间关系的散点图。连续激光的能量密度（E_ED）代表每个表面单元的辐射能量，它本质上取决于三个参数：激光功率、辐射时间和光斑大小。

式中：P为功率（单位：W）；V_f为激光扫描速度（单位：mm/s）；D为光斑直径（单位：mm）。

图 3. 散点图。（a）能量密度和表面粗糙度；（b）能量密度和表面粗糙度降低率

Fig. 3. Scatter plot. (a) Energy density and surface roughness; (b) energy density and surface roughness reduction rate

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图3（a）中实线为散点拟合曲线，可以看出，拟合曲线呈U形。能量密度过高或过低都不利于降低表面粗糙度，这也同样可以解释图2中扫描速度与表面粗糙度的关系呈现为U型。当扫描速度低于15 mm/s时，激光移动速度较慢，热量在样品表面停留时间增加，热积累过高导致材料表面熔融过深，以至于熔融材料还未停止振荡就已经凝固，材料表面再生不均匀轮廓，形成SOM现象，如图4（c）所示。但当扫描速度在25 mm/s以上时，速度过快，导致热积累过少，材料还未完全熔化，因此初始表面无法展平，如图4（a）所示。当扫描速度为15~25 mm/s时，熔化区域为峰腰及以上，由于材料自身重力和表面张力等形式的作用力，材料的熔化部分自上而下填充峰谷，获得较低的表面粗糙度，形成SSM现象，如图4（b）所示。图3（b）是表面粗糙度降低率随能量密度变化的散点图，散点可以拟合成一条曲线，可以看出，在整个试验中，表面粗糙度的降低率分布在77%~89%之间，这表明初始凹凸表面得到有效平滑。

图 4. 激光抛光的机理。（a）不完全熔化；（b）表面浅熔融；（c）表面过熔融

Fig. 4. Mechanism of laser polishing. (a) Incomplete melting; (b) shallow surface melting; (c) surface over melting

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通过白光干涉仪观察激光抛光前后的表面形貌，如图5所示，初始表面粗糙度R_a=4.829 μm。在激光功率为180 W、扫描速度为20 mm/s时，抛光后的表面粗糙度R_a可达到0.561 μm，表面粗糙度降低率高达88.4%。但观察发现，轮廓峰值总高度R_t在抛光后反而增加了，预估是热积累过大，导致产生了次生粗糙度。

图 5. 激光抛光前后的表面形貌对比。（a）激光抛光前；（b）激光抛光后

Fig. 5. Comparison of surface topography before and after laser polishing. (a) Before laser polishing; (b) after laser polishing

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在前一次分析中观察到，虽然R_a得到了有效的降低，但在最佳参数下的抛光表面最大轮廓波峰高度R_p却高于初始表面，这说明抛光表面产生了新的山峰。为了进一步研究激光抛光工艺参数对表面粗糙度的影响，减少表面次生粗糙度的产生，引入变量扫描间距，扫描距离是两条激光路径中心线之间的垂直距离，本试验中激光光斑直径为0.3 mm。当扫描距离为0时，两条激光路径完全重叠，重叠率为100%；当扫描距离大于或等于0.3 mm时，两条激光路径不重叠，重叠率为0%。因此扫描间距最高选0.3 mm。在180 W的激光功率和20 mm/s的扫描速度下，通过改变扫描间距设计单因素试验，扫描间距变化范围为0.01~0.3 mm。当引入扫描间距后，从图6可以看出，扫描间距和R_a并非呈现单调关系，而是随着扫描间距的增加大致呈U形分布。当扫描间距较小时，重叠率过高，材料表面发生过熔融现象；当扫描间距较大时，激光扫描范围内重叠率低，表面未能充分熔融，导致粗糙度较高。同时，从图6可以观察到，过熔融表面粗糙度远小于浅熔融表面粗糙度，当重叠率越接近0%时，粗糙度变化较小。

图 6. 不同的扫描间距对表面粗糙度的影响

Fig. 6. Effect of different scanning spacings on surface roughness

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通过白光干涉仪观察激光抛光后的三维表面形貌，如图7所示，样品2在扫描间距为0.06 mm的最佳抛光工艺下，抛光后的表面粗糙度R_a可达到0.505 μm，表面粗糙度降低率高达89.54%，轮廓高度差得到大幅改善，粗糙表面得到进一步的有效平滑。然后，对激光抛光前后的DC53模具钢表面进行傅里叶滤波，得到其表面轮廓，如图8（a）所示，其中x为表面轮廓的长度，y为表面轮廓的高度。凹凸不平的表面在激光热源的作用下，热量积累到材料熔点以上，将熔融表面微观高峰在重力、表面张力和热表面张力的共同作用下快速凝固达到熔峰填谷的效果，降低了表面粗糙度，获得了更平滑的表面形貌。上述表征只从轮廓高度方向上分析了表面轮廓，而忽略了横向空间上的频率分析，无法精确地描述激光抛光这种精密加工方法对微观表面形貌的影响。因此，本文引入了功率谱密度（PSD）对表面形貌进行了分析，如图8（b）所示，其中x表示空间频率，y表示振幅。从图8可以看出：在空间频率大于30 μm^-1频段内，三条PSD曲线基本重合；在空间频率小于30 μm^-1时，PSD有不同程度的衰减，抛光后的样品振幅显著降低。

图 7. 激光抛光后样品2表面形貌

Fig. 7. Surface morphology of sample 2 after laser polishing

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图 8. 激光抛光结果对比分析。（a）抛光前后表面轮廓；（b）功率谱密度分析结果

Fig. 8. Comparative analysis of laser polishing results. (a) Surface profiles before and after polishing; (b) power spectral density analysis results

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3.2　激光抛光后材料的内部结构及性能变化

激光抛光后的材料内部显微组织、硬度和杨氏模量分别如图9（a）~（c）所示。如图9（a）所示，在合适工艺参数下，激光作用的材料横截面上可以观察到明显的分层现象，依次为熔融区、热影响区、退火区和基体区。激光光源作用在材料表面上，表面温度逐渐升高产生熔融，随后在保护气体的环境下冷却，本质上是一次金属热处理过程。不同区域所受到的温度不同，导致各区域发生不同的热处理，从而出现了分层现象。图10（a）为熔融区，在此区域发生了材料熔化和再固化的物理过程，熔融深度为85 μm，在1000倍的扫描电镜下可以明显观察到柱状晶结构。当过冷度大（冷却速度快）时，柱状晶小；当过冷度小时，柱状晶大。在表面位置处，其与空气接触，冷却速度较快，形成了更细小的柱状晶结构。图10（b）是热影响区，热影响区深度为66 μm，未达到熔化温度1575 ℃，但温度达到了奥氏体转变温度723 ℃，因此该区域存在冶金转变，从图10能明显观察到奥氏体的产生，其主要组织成分为奥氏体。图10（c）是退火区，有较大的碳化物生成，其上椭圆状物体为碳化物，主要组织成分为奥氏体和碳化物，且材料由于熔融温度的不同导致碳化物分布不均匀。单个形状不规则和圆形的粗大碳化物增加了基体/碳化物界面的应力集中。同时，奥氏体导致退火区硬度下降。为了提高韧性，必须通过提高凝固和冷却速度来降低元素偏析。图10（d）是基体区，可以观察到典型的马氏体结构，这是典型的DC53淬硬钢结构。基体区由马氏体和碳化铬组成，硬度较高。

图 9. 抛光后材料的内部结构及性能变化。（a）显微组织；（b）硬度；（c）杨氏模量

Fig. 9. Internal structure and properties of the material after polishing. (a) Microstructure; (b) hardness; (c) internal Young's modulus

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图 10. DC53材料在1000倍的扫描电镜下各区域的微观组织。（a）熔融区；（b）热影响区；（c）退火区；（d）基体区

Fig. 10. Microstructure of each region of DC53 material under 1000× scanning electron microscope. (a) Melting zone; (b) heat affected zone; (c) annealing zone; (d) matrix zone

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图9（b）、（c）分别是采用纳米压痕仪测量得到的硬度和杨氏模量，可以明显观察到熔融区相对于基体硬度下降了40%，杨氏模量下降了35%。退火区下降得更为严重。

图11为样品的Tafel极化曲线图。表3为初始样品和抛光后试样的自腐蚀电位E、自腐蚀电流密度I_corr和腐蚀速率（1 mpy = 0.0254 mm/a）。从图11可以看出，未抛光前的自腐蚀电位要小于抛光后的自腐蚀电位，这表明经过抛光后的样品更易被腐蚀。对比抛光前后的腐蚀速率可知，抛光后腐蚀速率更快，这表明抛光后的样品若被腐蚀，则腐蚀速度将快于未抛光样品。材料的耐腐蚀性能经抛光后变得更差，这可能是由于激光作用产生的残余应力加速了材料的腐蚀，导致材料的耐蚀性下降。

图 11. 抛光前后的Tafel曲线

Fig. 11. Tafel curves before and after polishing

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图12是激光抛光前后样品表面XRD图。图中的线条a、b、c分别为初始、抛光前未脉冲激光清洗、抛光前经脉冲激光清洗样品。α-Fe为铁素体，由于γ-Fe（PDF#89-4185）和Cr（PDF#88-2323）都是面心立方晶格（FCC）结构，因此DC53淬硬钢中易形成FCC固溶体。从图12可以看出，DC53淬硬钢抛光后主要物相为α-Fe和FCC固溶体，主要发生铁素体到奥氏体的转变。初始样品采用电火花切割而成，在表面生成了氧化物。但是在经脉冲清洗的样品抛光后的XRD图像中并没有发现Fe₂O₃的存在，这是因为抛光前脉冲激光对样品表面进行了清洗，而在抛光前未使用脉冲激光清洗的样品表面仍然存在氧化物。同时，为了避免脉冲激光对材料造成热影响，扫描速度设置为1000 mm/s，用于快速清洁样品表面的杂质。

图 12. 激光抛光前后XRD图

Fig. 12. XRD diagram before and after laser polishing

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4　结论

本文通过改变连续激光器的激光功率、扫描速度和扫描间距等参数，将初始表面粗糙度为4.829 μm的DC53淬硬钢降低至0.505 μm，表面粗糙度降低率达89.54%，而且当能量密度为3000 J/cm²时，表面能更好地被平滑。

激光抛光后，受温度的影响，材料亚表层分为四个区域，从上至下依次是熔融区、热影响区、退火区、基体。相对于基体部分，热影响区、熔融区以及退火区的硬度和杨氏模量均有所降低。

激光抛光后，材料表面的腐蚀电位从-710.484 mV降至-739.049 mV，腐蚀速率由0.67305 mpy上升至8.3004 mpy，因此相对于初始表面，激光抛光后材料表面耐腐蚀性能有所下降。