Durificarea prin transformare cu laser este un proces în care un fascicul laser de mare putere (fie în modul de undă continuă, fie în modul pulsat) este utilizat ca sursă de căldură pentru austenitizarea suprafeței aliajelor Fe-C (oțel, fontă etc. cu conținut de carbon mai mare de 0,4 %) și ulterior este stins la o temperatură sub temperatura de pornire martensitică (Ms) pentru a induce transformarea martensitică prin auto-stingere sau prin pulverizare de agent de stingere extern. Figura 4 prezintă schematic tehnica de durificare a suprafeței cu laser, cu distribuția temperaturii în diferite regiuni marcate și etichetate. Etapele durificării prin transformare includ
(a) austenitizarea, care are loc la o temperatură cu 50-100°C peste temperatura AC3. Transformarea în austenită din microstructura inițială în timpul ciclului de încălzire se presupune, în general, că are loc în două etape: în prima etapă, perlita se transformă în austenită urmată de transformarea feritei în austenită. Ferita se transformă la temperatură mai mare, deoarece are o solubilitate scăzută a carbonului;
(b) omogenizare, este important să fie disponibil timp suficient pentru difuzia și distribuția carbonului în toată microstructura și
(c) stingerea la temperatură sub temperatura de start martensitic (Ms) pentru transformare din austenită în martensită. Cinetica durificării prin transformare este dictată de cinetica dizolvării carbonului în matrice. În condiții de echilibru, de îndată ce temperatura în timpul încălzirii ajunge peste temperatura eutectoidă, perlita începe să se transforme în austenită. Distanța de difuzie a carbonului în perlit este mică; din această cauză transformarea perlitei în austenită este foarte rapidă și uneori se presupune că este instantanee. Reacția continuă apoi la ferita rămasă după ce toată perlita este consumată. Această etapă are loc într-un interval de temperatură care este limitat de linia eutectoidă și de temperatura de tranziție. În timpul durificării prin transformare cu laser, temperatura suprafeței ar trebui să fie cât mai mare posibil pentru a scurta timpul de finalizare a transformării în austenită, în timp ce este necesar un gradient de temperatură ridicat pentru a încălzi un strat de suprafață suficient de gros într-un timp scurt. De asemenea, sunt necesare un timp scurt și gradienți de temperatură înalți pentru a preveni încălzirea materialului masiv.

Parametrii pentru durificarea prin transformare cu laser includ tipul de laser utilizat, forma fasciculului, densitatea puterii laser aplicate, viteza relativă de scanare între laser și substrat sau timpul pulsului, modul de funcționare al acestuia (modul pulsat sau continuu), compoziția suprafeței, topografia și absorbția. Efectul parametrilor procesului responsabili în controlul microstructurii și compoziției zonei prelucrate cu laser va fi discutat pe scurt în partea ulterioară a descrierii procesului.

Adâncimea durificării prin transformare joacă un rol important în determinarea duratei de viață a oricărei componente. Cu cât este mai mare adâncimea de durificare, cu atât va fi mai mare durabilitatea componentei supuse uzurii. Adâncimea durificării prin transformare depinde de alegerea densității puterii aplicate și a timpului de interacțiune împreună cu compoziția chimică a materialului utilizat pentru durificare. Adâncimea maximă de durificare realizată prin durificarea suprafeței cu laser poate fi de până la 0,8 mm. Însă, pentru unele aplicații industriale, este necesară o adâncime durificată de până la 2,0 mm, ceea ce necesită o proiectare adecvată a procesului și aplicarea agentului de stingere extern. Adâncimi tipice ale carcasei durificate de până la 1,6 mm au fost raportate de Schuo¨cker pentru materialul de tip 50NiCr13 (1998). Datorită reflectivității ridicate a suprafețelor metalice la laserul CO2 (lungime de undă de 10,6 μm), un strat antireflectiv este adesea aplicat pe suprafața metalică pentru a crește absorbtivitatea.

O revizuire detaliată a durificării suprafeței cu laser și compararea acesteia cu tehnica convențională de durificare a suprafeței este descrisă de Kennedy și colab. (2004). Caracteristicile durificării suprafeței cu laser față de durificarea convențională includ economicitate în timp și energie, domeniul de automatizare completă, distorsiuni macro minime și, prin urmare, nevoie redusă de prelucrare suplimentară, o grosime de precizie a stratului durificat, lipsa de stingere externă și curățenia mediului. Aplicarea laserelor de mare putere în durificarea suprafeței s-a dovedit deja a fi fezabilă și este aplicată pe componente reale pentru industria auto și aerospațială pentru durificarea straturilor de suprafață ale palelor turbinei, arborilor cotiți și componentelor motoarelor de tractor. Benedek şi colab. (1980) au efectuat durificarea carcasei din oțel carbon, fier armco, oțel aliat, și oțel de mare viteză folosind un fascicul laser CO2. Prelucrarea în condiții optime a dat o adâncime de durificare de până la 0,7 mm și o duritate a suprafeței de până la 720 HV. Microstructura anterioară a substratului influențează într-o măsură semnificativă microstructura finală a oțelului durificat la suprafață cu laser. Grum și Slabe (2005) au observat formarea de precipitate nanometrice cu o microstructură diversă până la adâncimi variabile în urma durificării suprafeței cu laser a oțelului maraging. Heidkamp şi colab. (2004) au studiat efectul durificării cu fascicul laser asupra proprietăților substraturilor acoperite cu TiN AISI 4140 (EN 42CrMo4), AISI A2 (EN X100CrMoV5-1) și AISI D2 (EN X153CrMoV12) prin CVD. A fost realizat un material compozit cu gradiente de rezistență și duritate plate de la interfață la miez, împreună cu o duritate mare a suprafeței, rezistență crescută la uzură, și o rezistență sporită a materialului la sarcini mecanice mari.

Condițiile de suprafață (rugozitate, tensiuni reziduale, agregat de fază) joacă un rol semnificativ în determinarea caracteristicilor stratului durificat. Efectul diferitelor tipuri de acoperire absorbantă asupra durificării suprafeței cu laser a oțelului C45E a fost determinat de Grum și Kek (2004). Heitkemper și colab. (2003) au arătat că comportamentul la oboseală și la rupere a oțelului de scule martensitic cu azot ridicat (X30CrMoN15) tratat termic cu laser cu un laser Nd:YAG de 3 kW a fost îmbunătățit semnificativ în comparație cu cel netratat. Tensiunile reziduale generate în timpul tratamentului cu laser au avut o influență semnificativă asupra inițierii fisurilor, în timp ce cele generate în timpul transformării austenitei reținute au avut o influență minoră asupra propagării fisurilor. Iordanova et al. (2002) au efectuat topirea la suprafață cu laser a oțelului cu conținut scăzut de carbon laminat la rece de 0,46 mm grosime prin laser de sticlă Nd pulsat, până la o grosime de 80 μm. Laminarea anterioară la rece a dezvoltat tensiuni reziduale de tracțiune atât de-a lungul laminării, cât și în direcții transversale. S-a observat că topirea cu laser nu afectează tensiunea reziduală de-a lungul direcției de rulare, dar o crește semnificativ pe direcția transversală cu o textură mai slabă și împrăștiată.

Amulevicius și colab. (2000) au studiat influența iradierii simultane laser și ultrasunete asupra evoluției fazelor în sistemul Fe–Si–C (fontă cenușie) prin spectroscopie Mo¨ssbauer. Aplicarea ultrasunetelor a redus cantitatea de austenită reținută în probe de două până la trei ori datorită dizolvării active și redistribuirii carbonului între austenită și clusterele fier-carbon. Chen și Shen (Chen și Shen 1999) au optimizat parametrii procesului pentru durificarea prin transformare cu laser a oțelului SNCM 439 utilizând metodologia Taguchi și metoda de evaluare fuzzy. S-a ajuns la concluzia că a existat o îmbunătățire a durității de HRC 52,5–63,9; cu o creștere a lățimii de durificare 0,43–0,89 mm, cu o reducere a pierderilor de eroziune de la 69,55 la 40,94 mg când a fost utilizat un laser Nd-YAG cu impuls lung pentru durificarea suprafeței. S-a ajuns la concluzia că atât metoda de evaluare fuzzy, cât și metodologia Taguchi au fost eficiente și aplicabile pentru evaluarea cantitativă a utilității proceselor de durificare prin transformare cu laser Nd-YAG cu pulsații lungi. Tratamentul cu laser a suprafeței fontelor cenușii perlitice și ductile folosind un laser CO2 cu undă continuă de 5 kW a îmbunătățit rezistența la eroziune a fontei cenușii de 5 ori și aceeași pentru fonta ductilă de 26 de ori (Tobar et al. 2006). Molian (1981) a studiat efectul durificării suprafeței cu laser asupra microstructurii oțelului AIS14340 și l-a comparat cu cel durificat convențional. Microstructura a prezentat un amestec de martensite dislocate și îngemănate cu o fracțiune de volum sporită de austenită reținută în comparație cu specimenele tratate termic în cuptor convențional (tratament la 870^o C), deși, mărimea granulelor de austenită anterioară și substructura martensitică au rămas în esență aceleași. Roy și Manna (2001) au demonstrat că durificarea suprafeței cu laser (LSH = laser surface hardening), în loc de alierea suprafeței cu laser (LSA = laser surface alloying) sau topirea suprafeței cu laser (LSM = laser surface melting) este mai eficientă în creșterea rezistenței la uzură a fontei ductile temperate (ADI = austempered ductile iron), atribuită dezvoltării suprafeţei martensitice cu tensiuni de compresiune reziduale. Adel şi colab. (2009) au studiat efectul tratamentului termic asistat cu laser cu undă pulsată cu neodim ytriu (Nd-Yag) asupra coeficientului de frecare și rezistenței la uzură a fontei ductile bainitică aciculară și au observat o rafinare semnificativă a microstructurii cu o rezistență îmbunătățită la uzură și coeficient de frecare redus.

În ciuda avantajelor ample ale durificării suprafeței cu laser în comparație cu durificarea convențională, o tensiune termică mare este generată în suprafața iradiată cu laser ce rezultă din rata mare de răcire și gradientul termic asociat procesului (Mura 1982). Mărimea tensiunii reziduale și vectorul acestuia depind de parametrii laserului. Tensiunea reziduală oprită din cauza durificării prin transformare cu laser se poate datora influenței combinate a (a) tensiunii de stingere, care este de tracțiune în natură și (b) a tensiunii de transformare, care este de natură compresivă. Tensiunea reziduală la compresiune este benefică în îmbunătățirea proprietăților la oboseală, însă, tensiunea reziduală la tracțiune este dăunătoare, deoarece deteriorează proprietățile de uzură, coroziune și oboseală ale materialului. Prin urmare, parametrii procesului trebuie aleși cu atenție pentru a minimiza tensiunea reziduală oprită din cauza durificării prin transformare cu laser. Predicția tensiunii reziduale la suprafață necesită o cunoaștere cantitativă a istoriei termice a zonei aliate. În plus, microstructura zonei durificate dezvoltate prin LSH este strâns legată de istoria termică a procesului. Parametrii care joacă un rol în controlul istoricului termic și al tensiunii reziduale sunt densitatea puterii laserului și viteza de scanare. Măsurarea în timp a temperaturii în timpul acestui proces de încălzire și răcire tranzitorie în timpul scurt de interacțiune a laserului (ti), este extrem de dificilă și limitată doar la suprafața superioară. Ca o alternativă, modelarea matematică a procesului de transfer de căldură care însoțește durificarea suprafeței cu laser este un instrument convenabil pentru a prezice istoricul termic al zonei aliate cu o exactitate rezonabilă. În trecut, mai multe studii au fost încercate să prezică distribuția temperaturii în timpul durificării suprafeței cu laser (Ashby și Easterling 1984; Mazumder și colab. 1996). Un model unidimensional de transfer de căldură în stare instabilă bazat pe metoda de soluție explicită a diferențelor finite a fost dezvoltat pentru a simula profilul termic în durificarea suprafeței cu laser și, ulterior, tensiunea reziduală dezvoltată pe suprafață a fost calculată luând în considerare stresul termic și stresul de transformare.

Figura 5 prezintă distribuția temperaturii în funcție de timp la diferite puteri aplicate (la suprafață și la o adâncime de 40 μm de la suprafață) pentru oțel 0,6 % C durificat cu laser la suprafață (linie solidă) și la o adâncime de 40 μm de la suprafață (linie întreruptă). Din Fig. 5, este evident că suprafața superioară experimentează temperatura maximă sau de vârf (Tpeak), iar Tpeak scade pe măsură ce adâncimea (z) de sub suprafață crește. Este interesant de observat că timpul (tpeak) pentru a ajunge la Tpeak (cu excepția suprafeței superioare, adică la z = 0) crește treptat pe măsură ce adâncimea crește. De fapt, tpeak > ti la toate z mai degrabă decât z = 0. Din Fig. 5 este relevant faptul că temperatura dezvoltată la suprafață și la o anumită adâncime depinde de puterea aplicată. Cu cât puterea aplicată este mai mare, cu atât mai multă temperatura se dezvoltă în fiecare strat din cauza unui aport de energie mai mare (și, prin urmare, a energiei absorbite). Prin urmare, densitatea de putere laser ar trebui aleasă cu atenție pentru a optimiza adâncimea austenitizării. O temperatură prea ridicată sau prea scăzută nu este de dorit, deoarece duc la topirea și, respectiv, omogenizarea necorespunzătoare a austenitei. Se poate sublinia că tpeak la un anumit z este întotdeauna mai mare decât timpul necesar pentru a ajunge la TRT de la Tpeak la răcire. Cu alte cuvinte, sugerează că viteza de răcire este mai mare decât rata de încălzire corespunzătoare în fiecare strat. Diferența aparentă în cadrul aceluiași volum de material poate fi atribuită faptului că, efectul gradientului termic în timpul ciclului de încălzire este mai mic decât același în timpul ciclului de răcire. Prezentul model prezice încălzirea și stingerea pentru a dezvolta zona durificată într-o perioadă foarte scurtă de timp.

Figura 6 prezintă variația temperaturii cu adâncimea de la suprafață în timpul răcirii oțelului 0,6 % C durificat la suprafață cu laser. Din Fig. 6 este evident că temperatura este maximă la suprafață și scade pe măsură ce adâncimea de la suprafață crește. Cu cât timpul de interacțiune este mai mare, cu atât temperatura este mai mare în fiecare strat, deși gradientul de temperatură nu pare să varieze semnificativ cu timpul de interacțiune. Figura 7 dezvăluie variația gradientului termic (dT/dz) cu adâncimea (z) în timpul ciclului de răcire al durificării suprafeței cu laser a oțelului 0,6 % C (a) cu o putere de 0,95 kW pentru diferiți timpi de interacțiune (ti) și (b) cu putere diferită dar la un timp de interacțiune de 40 ms. Din Fig. 7 se poate observa că gradientul termic este maxim la suprafața superioară și scade pe măsură ce adâncimea de la suprafață crește. Acest lucru este anticipat deoarece structura sub 500 μm oferă un radiator de căldură infinit care permite o conducție ușoară și unidirecțională a căldurii vertical în jos. În plus, este evident că cu cât ti și P sunt mai mari, cu atât gradientul termic este mai mare la o adâncime dată (z). Totuși, gradientul termic scade odată cu adâncimea și urmează o rată uniformă și aproape identică pentru intervalul de ti studiat în această investigație. În mod similar, gradientul termic la o anumită adâncime crește odată cu creșterea puterii aplicate.

Figura 8 arată variația adâncimii de durificare cu (a) puterea laserului aplicată și (b) timpul de interacțiune pentru suprafață durificată cu laser cu oțel C 0,6%. S-a constatat că adâncimea stratului de durificare crește odată cu creșterea puterii aplicate și creșterea timpului de interacțiune. Adâncimea de durificare crescută cu creșterea puterii aplicate și a timpului de interacțiune sunt atribuite unei cantități crescute de energie absorbită. Însă, o putere aplicată prea mare sau un timp de interacțiune prea mic ar putea duce la topirea suprafeței. Pe de altă parte, aplicarea unei puteri și a unui timp de interacțiune inadecvate poate cauza dizolvarea neomogenă a carbonului în matrice. Prin urmare, puterea laserului și timpul de interacțiune ar trebui alese astfel încât să se obțină un strat durificat omogen cu adâncimea de durificare dorită.

Figura 9 prezintă distribuția tensiunii reziduale de-a lungul adâncimii de la suprafața durificată cu oțel C 0,6 % cu laser. Din Fig. 9 este evident că există o introducere a tensiunilor reziduale de compresiune pe suprafață, a cărei amploare scade pe măsură ce adâncimea de la suprafață crește și se schimbă treptat la tensiuni reziduale de tracțiune la o adâncime de 10 μm de la suprafață. Mai mult, amploarea tensiunii de compresiune reziduală crește odată cu creșterea timpului de interacțiune, care este atribuită unei fracțiuni de volum crescute de martensită formată pe suprafață la un timp de interacțiune mai mare. Pe de altă parte, creșterea puterii crește efortul de compresiune la suprafață și efortul maxim de întindere în regiunea de sub suprafață. Creșterea puterii determină o răcire rapidă de la o temperatură mai ridicată, crescând astfel fracția de volum a martensitei din microstructură. În plus, creșterea puterii determină încălzirea la o adâncime mai mare și, prin urmare, fluxul de plastic va crește puțin în stratul inferior, ceea ce crește valoarea maximă a efortului de întindere. Întrucât tensiunile de compresiune sunt foarte de dorit la suprafață (măresc rezistența la oboseală a materialului), variațiile lor cu puterea și timpul de interacțiune au fost studiate în detaliu. Se vede cu ușurință că pentru o putere constantă creșterea timpului de interacțiune crește tensiunile de compresiune la suprafață. La creșterea puterii, există o viteză de răcire crescută care determină o fracțiune de suprafață crescută a transformării martensitice și, prin urmare, o mai mare dominație a tensiunilor de transformare conducând la valori și mai mari ale tensiunilor de compresiune la suprafață. Figura 10 rezumă variația tensiunii de compresie reziduale dezvoltate pe suprafața oțelului 0,6% C durificat cu laser cu (a) putere aplicată și (b) viteza de scanare. Din Fig. 10 este evident că mărimea tensiunii reziduale de compresiune pe suprafață crește odată cu creșterea puterii aplicate. În plus, rata de creștere a tensiunii de compresiune cu puterea aplicată este mai mare atunci când suprafața durificată cu laser s-a întărit la un timp de interacțiune mai mare. În mod similar, se observă, de asemenea, că creșterea vitezei de scanare crește magnitudinea tensiunii reziduale de compresiune pe suprafață, a cărei rată este mai mare la o putere mai mare. Din discuția menționată mai sus reiese că creșterea atât a puterii laserului, cât și a timpului de interacțiune este o caracteristică de dorit, deoarece acestea cresc efortul rezidual de compresiune pe suprafață. Însă, un calcul detaliat al influenței parametrilor laser asupra tensiunii reziduale maxime de întindere în regiunea sub suprafață arată că tensiunea reziduală maximă crește odată cu creșterea puterii aplicate, deși timpul de interacțiune are o influență marginală asupra acesteia.

Din discuțiile de mai sus, se poate concluziona că, deși durificarea suprafeței poate fi realizată prin austenetizare urmată de răcire cu aplicarea unei game largi de combinații de viteză de scanare-putere laser, distribuția tensiunii reziduale în regiunile de lângă suprafață și sub suprafață variază cu parametrii laserului. Prin urmare, alegerea optimă a parametrilor laserului este esențială pentru a asigura o tensiune mare de compresiune la suprafață și o tensiune scăzută la tracțiune în regiunile sub suprafață. În această privință, este relevant să rețineți că aplicarea unei densități de putere inadecvate sau a unui timp de interacțiune scăzut va duce la austenitizare incompletă și la tensiune de compresiune foarte scăzut la suprafață, în timp ce aplicarea unei densități foarte mari a puterii și a unui timp de interacțiune mare va determina o foarte mare tensiune de tractiune sub suprafață și supraîncălzirea/topirea suprafeței.