激光表面強化技術(shù)

1、 激光表面強化技術(shù)論文 專業(yè)： 機械制造及其自動化 課程： 表面處理技術(shù)概論 學(xué)號： 姓名： 老師： 2016年11月20日目錄1、 摘要2、 簡介3、 激光的簡要概述4、 激光機工技術(shù)的特點5、 四種激光表面強化技術(shù)1、激光表面合金化2、激光表面沖擊硬化3、激光表面熔覆4.激光表面熔凝六、激光加工技術(shù)發(fā)展趨勢1、激光產(chǎn)業(yè)整體布局2、激光產(chǎn)業(yè)重點單位3、激光器技術(shù)的發(fā)展七、結(jié)束語八、參考文獻 激光表面強化技術(shù)1、 摘要疲勞、腐蝕、摩擦和磨損引起的工程構(gòu)件的失效大多發(fā)生在表面, 這一現(xiàn)象促使材料科學(xué)工作者對材料表面的極大關(guān)注, 并促使材料表面強化技術(shù)的迅猛發(fā)展。人們希望在材料整體保持足夠的韌性和

2、強度的同時, 使材料表面獲得較高的、特定的使用性能, 如耐磨、耐蝕和抗氧化等。激光由于其優(yōu)異的性能, 越來越被廣泛地應(yīng)用到軍事、通信、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域。激光技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用使得材料學(xué)科無論在理論還是在工藝方面均獲得重要的進展。激光的引人, 使得材料工作者可以根據(jù)應(yīng)用背景來進行更廣泛意義上的材料設(shè)計; 激光的引人, 也使得材料加工工藝前進了一大步。同時, 激光的引人又不斷地給材料工作者提出新問題。激光表面強化技術(shù)包括激光表面淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆和激光表面合金化等。其中,激光表面合金化和激光熔覆是通過改變表面成分和組織來實現(xiàn)強化目的。利用高功率激光表面強化的好處在于節(jié)約具有戰(zhàn)略價

3、值和昂貴的合金素形成非平衡相和非晶態(tài)晶粒細(xì)化、微觀結(jié)構(gòu)均勻化、提高合金元素的固溶度和改善鑄造零件的成分偏析等。激光表面強化技術(shù)已有20多年的歷史, 各方面已取得長足的進展, 如激光表面淬火技術(shù)在汽車缸套的表面強化方面取得顯著的效益。但是目前激光表面強化技術(shù)的推廣并未達到人們所期望的效果。其原因是多方面的,如設(shè)備投資較高,激光強化工藝的不穩(wěn)定移植性差,在激光表面合金化和激光熔覆中還常常出現(xiàn)裂紋等問題。這有待于材料科學(xué)工作者更進一步深入研究激光表面強化的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)。二、簡介激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門

4、加工技術(shù)。激光加工作為先進制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。激光表面強化是利用高能激光束和材料表面之間的交互作用，改變材料表面組織結(jié)構(gòu)、物理性能和化學(xué)成分、應(yīng)力狀態(tài)等，從而改善壽命材料的表面性能（耐磨、耐蝕、抗氧化和抗疲勞等），提高關(guān)鍵零部件的使用與擴大材料用途的技術(shù)。具體而言，激光表面強化技術(shù)包括激光表面硬化（激光淬火）、激光表面合金化、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光表面沖擊強化等。三、激光激光是在發(fā)射過程中受激而加強的光，這種光受激而發(fā)射的光子具有同方向、同頻率、同

5、相位、同偏振的特性，因而被稱為“激光”。激光產(chǎn)生的基本原理。激光是受激輻射而產(chǎn)生的增強光，激光器是受激輻射的光放大器。在原子發(fā)光過程中，同時存在光的自發(fā)輻射、受激吸收與受激輻射過程。其中，受激輻射與自發(fā)輻射有本質(zhì)的區(qū)別。光的受激輻射是指處能及E2的原子，在能量為12的光子引誘下，射出一個與入射光一模一樣的光子，躍遷到能及E1上。受激發(fā)射光的頻率、相位、偏振方向和傳播方向等均與入射光子相同，光的受激輻射如右圖所示。因此，在外界泵浦工作期間，激光工作物質(zhì)中的一對能及E1和E2，若實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，則在粒子發(fā)光過程中，受激射有可能占有主導(dǎo)地位，聚集在E2上的大量原子就會產(chǎn)生受激發(fā)射過程，且通過受激發(fā)

6、射的能量12的光子在激光棒內(nèi)的傳播，光強會越來越強。但是在外界光泵浦（如疝氣、氪氣或輝光發(fā)電等）作用心愛輸出激光束，還需要在激光棒兩端加一對由平面鏡或球面鏡組成的光學(xué)諧振腔。光沿激光棒的軸線方向來回振蕩，從而得到放大，當(dāng)這種光放大超過腔內(nèi)損耗（包括散射、衍射等），激光放大超過腔內(nèi)閾值時，就會在激光腔的輸出端產(chǎn)生激光輻射激光束。國內(nèi)對激光的研究起步歲晚，但發(fā)展十分迅速，確實值得我們驕傲。在與梅曼宣稱發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器相隔不到一年的時間里，王之江就在中國科學(xué)院長春光機所研制成功了我國首臺固體紅寶石激光器，鄧錫銘在1963年7月研制成功了我國首臺氨氖氣體激光器。此后，國內(nèi)外開始大力發(fā)展高

7、功率CO2激光器。隨后激光器的發(fā)展非常迅速，激光器的功率也在不斷提高，目前已達到萬瓦以上級。正是由于高功率激光器的研制成功，為激光材料加工技術(shù)特別是激光表面強化技術(shù)應(yīng)用的興起和迅速發(fā)展創(chuàng)造了必不可少的前提條件。因此，激光材料技工技術(shù)由較簡單的激光打孔、激光切割刀激光表面性新技術(shù)的研究和應(yīng)用，從而出現(xiàn)了諸如激光相變強化、激光表面合金化、激光表面熔凝、激光表面熔覆與激光化學(xué)氣相沉積等一系列新技術(shù)，使得激光材料加工出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。激光的特性：（1） 高單色性 普通光源發(fā)出的光均包含較寬的波長范圍，即譜線寬度寬。（2） 高相干性 相干性主要描述光波各部分的相位關(guān)系。其中，空間相干性描述垂直光束傳播方向

8、的平面上各點之間的相位關(guān)系。相干性完全是由光波場本身的空間分布（發(fā)射角）特征和頻譜分布特性（單色性）決定的。因此，激光束疊加在一起，其幅度是穩(wěn)定的，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，可保持光波前后的相位關(guān)系不變，這是其他任何光源無法達到的。（3） 高方向性 激光束的高方向性主要是指其光束的發(fā)射角小（4） 高亮度 所謂亮度，光學(xué)上給出的定義是，光源在單位面積上某一方向的單位立體角度內(nèi)發(fā)射的光功率。四、激光加工技術(shù)的特點正是由于激光束的四大特性，使得激光加工技術(shù)具有傳統(tǒng)加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。（1） 由于它是無接觸加工，并且激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的。（2） 它可以對多種金屬、非金

9、屬進行加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點的材料。（3） 激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。（4） 激光加工過程中，激光束的能量密度高，可以對局部進行加工，對非激光照射區(qū)域沒有影響或影響極小。因此，激光加工的熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。（5） 激光束易于導(dǎo)向與聚集以及實現(xiàn)作各方向的變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法。（6） 生產(chǎn)效益高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好。盡管激光加工技術(shù)具有許多獨特的優(yōu)點，但是不足之處也是明顯的。例如，目前激光加工技術(shù)成套設(shè)備價格還比較貴，所以激光還屬于一種昂貴的能源。因此，只

10、有在那些最能發(fā)揮其特點或其他方法不能或難以加工的情況下采用激光加工技術(shù)的方法最為合適。但是，隨著高功率激光器及其輔助設(shè)備成本的降低，采用激光加工技術(shù)必將在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。五、四種激光表面強化技術(shù)1、激光表面合金化許多鐵合金等較難熔材料在接觸激光功率密度達106W/mm2的受熱表面時，足以達到107109K/s的加熱速度會發(fā)生熔化，其中的各種元素擴散進入零件液態(tài)金屬的薄層內(nèi)7。當(dāng)冷卻凝固時將形成固溶體和化合物夕表面發(fā)生合金化.最近有些國家對利用含Cr，Ni和Mo的鐵基合金進行激光表面合金化的工藝產(chǎn)生極大興趣，這種方法既可改變金屬性能，又可節(jié)約材料、降低成本，可用普通碳鋼等廉價材料獲得表面耐

11、磨、防蝕和抗高溫氧化性很高的零件。用預(yù)置石墨粉習(xí)通過熔化或熔化后再進行滲碳形成碳化物的表面合金化可明顯地提高表面硬度。阻礙激光表面合金化廣泛應(yīng)用的障礙，除設(shè)備投資大、成本高外，就是在材料處理過程中表面易產(chǎn)生氣孔、裂紋以及表面平整度的下降.針對后者，研究者根據(jù)具體情況加強研究，已經(jīng)摸索出一些可行的辦法8。Ion用實驗證明，激光表面合金化是提高低碳鋼耐腐蝕性能的一種可行的辦法。他使用的激光器功率為6kw，合金元素為鉻，激光合金化層的厚度為0.5mm9，使耐腐蝕性大大提高。Mazulnde等用激光使1016低碳鋼表面以鉻、錳、碳合金化。結(jié)果證實，用激光加工過的材料在銷一柱磨損試驗中表現(xiàn)出比Stelh

12、te 6合金10還要好的耐磨性。作者認(rèn)為，耐磨性的提高歸因于樹枝狀組織和鉻的碳化物，且枝晶越細(xì)，耐磨性越好.較低的激光功率和較高的激光一工件相對移動速率可以得到較高耐磨性的合金層。2、激光表面沖擊硬化激光沖擊硬化是前蘇聯(lián)學(xué)者在70年代初提出的。利用極高功率密度(大于10sw/cm，)激光束沖擊(作用時間為1085數(shù)量級甚至更短)工件表面11，使表層幾微米的薄層迅速被加熱汽化。在極短的時間內(nèi)，金屬蒸氣由于受到外部介質(zhì)的限制而在沖擊區(qū)形成超高壓沖擊波(最大10GPa左右)。隨著沖擊波向基體內(nèi)的傳遞，會在表層產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)，并出現(xiàn)某些微觀特性的改變，從而改善了金屬的機械性能。Chan使用名義功率為10

13、GW/cm2，脈沖時間為2040ns的脈沖Q開關(guān)的YAG激光器使鑄鐵、7075和7475鋁合金沖擊硬化，沖擊振幅為5.6GPa.兩種鋁合金的疲勞壽命均得到提高.其原因是表面存在殘余壓應(yīng)力。文獻12作者認(rèn)為，為了得到表面殘余壓應(yīng)力，應(yīng)對熱應(yīng)力的作用和沖擊波的作用加以區(qū)分。試驗說明，使用吸收涂層后可以得到表面殘余壓應(yīng)力.由于只有沖擊波透人材料，該區(qū)域受張力變形，但受周圍材料的約束，被約束的區(qū)域就是一個壓應(yīng)力區(qū)。如果熱量進人該區(qū)域，膨脹將會導(dǎo)致變形，在冷卻時將會產(chǎn)生張應(yīng)力。激光沖擊硬化可以得到與噴丸相近的殘余應(yīng)力水平，但表面損傷更小，且能得到更大的透入深度。3、激光表面熔覆激光熔覆也稱激光包覆，是利

14、用一定功率密度的激光束照射(掃描)被覆金屬表層上的外加純金屬或合金13，使之完全熔化，而基材金屬表層微熔，冷凝后在基材表面形成一個低稀釋度的包覆層，從而使基材強化的工藝.激光熔覆的熔化主要發(fā)生在外加的純金屬或合金中，基材表層微熔的目的是使之與外加金屬達封冶金結(jié)合，以增強包覆層與基材的結(jié)合力，并防止基材元素與包覆元素相互擴散而改變包覆層的成分和性能13。激光熔覆工藝主要有兩種:一種是預(yù)置涂層法，是用電鍍、真空蒸鍍、等離子噴涂、火焰噴涂、粘結(jié)等方法將要熔覆的金屬粉末事先涂覆在基材表面，然后用激光重熔，這種方法可稱為激光涂覆;另一種是同步送料法，即在激光照射過程中，將粉末或條、絲狀純金屬或合金連續(xù)送

15、入熔池內(nèi)，其中用氣體將粉末以一定角度吹入熔池的方法稱為激光噴涂。激光熔覆與合金化類似?？筛鶕?jù)要求在表面性能差的低成本鋼上制成耐磨、耐蝕、耐熱、耐沖擊等各種高性能表面，來代替昂貴的整體高級合金，以節(jié)約貴重金屬材料。包覆層組織細(xì)小，一般無氣孔和空穴。將硬質(zhì)TIC顆粒覆于高速鋼表面，通過激光包覆處理得到TIC熔化層，然后進行快速淬火。這樣獲得的表面包覆有極高硬度HV2100一2700，最高可達HV310014。高速鋼激光包覆的壽命為普通熱處理鋼的8.4倍15，最高達11.2倍。可以預(yù)料，這種處理方法將廣泛用于加工難切削材料的刀具。較常采用的激光包覆與基體的組合形式有如下兒種上:不銹鋼一軟鋼;不銹鋼-

16、鋁;軟鋼一不銹鋼，硬質(zhì)合金一軟鋼;硬質(zhì)合金一黃銅;鐵硼一軟鋼;鎳一軟鋼;鉻一欽。除以上所述外，激光包覆工藝還具有以下獨到的優(yōu)點:可控制稀釋度，減少局部加熱時的熱變形，精確控制零件外形尺寸，可獲得良好熱結(jié)合性和精細(xì)淬火組織。4、激光表面熔凝激光熔凝是利用高功率密度的激光在極短的時間內(nèi)與金屬交互作用，將金屬表面局部區(qū)域瞬時加熱到相當(dāng)高的溫度并使之熔化，隨后借助于冷態(tài)的金屬基體吸熱和傳熱過程使熔化的金屬表層快速凝固，從而改變零件表層組織和性能。由于這一過程是在快速加熱和快速冷卻下完成的，所以得到的硬化層組織較細(xì)，硬度也高于常規(guī)淬火的硬度。這種技術(shù)提高了金屬材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性及強度和

17、高溫性能等。在真空條件下，高亞麗等對AZ91HP鎂合金進行了激光熔凝處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎂合金激光熔凝層主要是由3/Mg相和-Mg17Al12相所構(gòu)成。隨著激光掃描速度的增加，熔凝層硬度、耐磨性也隨之增加。但在不同掃描速度下，激光熔凝層耐蝕性較基體鎂合金有所降低，且隨著掃描速度的降低，熔凝層耐蝕性下降幅度增大。AKousomichalis、曾愛平等用KrF激光在真空條件下照射打磨過的AZ3lB4H試樣表面。發(fā)現(xiàn)試樣表面顯微形貌為波紋狀，并且激光處理后表面與沒有處理的試樣相比呈張應(yīng)力。激光處理層30m顯微硬度比基體的低，激光處理過的試樣耐蝕性有較大的提高。采用Nd:YAG激光器，DDube等對AZ91

18、D和AM06B兩種鎂合金進行了激光熔凝處理，其微觀結(jié)構(gòu)呈樹枝狀，晶粒得到細(xì)化，雖然經(jīng)過激光熱處理的AM60B鎂合金的腐蝕性能高于AZ91D，但并沒有獲得顯著的提高。甚至在某些工藝參數(shù)下會顯著降低耐腐蝕性能。Yaojun等在AZ91D鎂合金表面進行激光熔凝，熔凝層形成的微觀組織結(jié)構(gòu)較均勻，相應(yīng)地提高了激光熔凝層的耐磨性。利用2kW連續(xù)波的CO2激光器，G.Abas等對A3Z1、AZ61和WE43鎂合金表面進行激光熔凝，熔凝試樣在20下被浸沒在pH值為10.5的氯化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)溶液中10d，結(jié)果顯示經(jīng)過激光熔凝后的鎂合金的耐蝕性得到了提高，細(xì)化了合金的微觀結(jié)構(gòu)，增加了合金元素在。相固溶體中

19、的濃度，使相分布得更均勻，形成了1層耐蝕層。六、激光加工技術(shù)發(fā)展趨勢1.激光產(chǎn)業(yè)整體格局 國內(nèi)激光企業(yè)主要分布在湖北、北京、江蘇、上海及深圳等地，已基本形成以上述省市為主體的華中、環(huán)渤海、長三角、珠三角四大激光產(chǎn)業(yè)基地，其中有一定規(guī)模的企業(yè)約300家。 2014年我國激光產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值約為800億元。主要包括：激光加工裝備產(chǎn)業(yè)達到350億元(其中，用于切割、打標(biāo)和焊接的高功率激光設(shè)備占據(jù)了67%的市場份額)；激光加工在重工業(yè)、電子工業(yè)、輕工業(yè)、軍用、醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用達到450億元。預(yù)計在今后三年，我國激光產(chǎn)業(yè)平均行業(yè)復(fù)合成長率將不低于20%。 我國激光加工產(chǎn)業(yè)可以分為

20、四個比較大產(chǎn)業(yè)帶，珠江三角洲、長江三角洲、華中地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)。這四個產(chǎn)業(yè)帶側(cè)重點不同，珠三角以中小功率激光加工機為主，長三角以大功率激光切割焊接設(shè)備為主，環(huán)渤海以大功率激光熔覆和全固態(tài)激光為主，以武漢為首的華中地區(qū)則覆蓋了大、中、小激光加工設(shè)備。這四大產(chǎn)業(yè)帶中，以華中地區(qū)尤其是武漢最具代表性，中國“光谷”的稱號便是有力的證明。武漢地區(qū)可以說見證了中國激光加工產(chǎn)業(yè)從無到有、從弱到強的整個歷程，是中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的縮影 。2.激光產(chǎn)業(yè)重點單位 激光技術(shù)在我國經(jīng)過40多年發(fā)展，有了較為雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，鍛煉培養(yǎng)了一支素質(zhì)較高的隊伍。以中科院四大光機所及各部委所屬研究機構(gòu)和一批大學(xué)

21、為代表，形成了我國激光器系統(tǒng)技術(shù)研究開發(fā)的重要力量，如華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等16個科研院所。在部分激光器研究開發(fā)的核心技術(shù)上，形成了5個國家級的激光技術(shù)研究中心，10多個研究機構(gòu)。 我國激光產(chǎn)業(yè)骨干企業(yè)有：武漢華工激光、楚天激光、團結(jié)激光、金運激光、銳科激光;深圳大族激光、光韻達激光、光大激光、聯(lián)贏激光；北京大恒激光、11所；華東上海團結(jié)普林瑪、南京東方等。我國激光行業(yè)的八大激光上市公司分別為華工科技、大族激光、金運激光、光韻達、福晶科技、新松機器人、利達光電及上海新南洋。3.激光器技術(shù)發(fā)展 繼傳統(tǒng)的氣體、固體激光器之后，光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、碟片激光器

22、等新型激光器發(fā)展迅速?？傮w而言，全球激光技術(shù)的主要趨勢是向高功率、高光束質(zhì)量、高可靠性、高智能化和低成本方向發(fā)展。高功率射頻板條CO2激光器、軸快流CO2激光器、千瓦內(nèi)低成本大功率YAG激光器、碟片固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、全固化可見光及倍頻紫外激光器，皮秒、飛秒激光器。 (1)高功率工業(yè)光纖激光器高功率光纖激光器是第三代固體激光器。在激光加工領(lǐng)域，光纖激光器有逐步替代傳統(tǒng)YAG、部分CO2激光器的趨勢。目前商用光纖激光器輸出功率連續(xù)功率已上升到數(shù)千瓦，以至50kW。 重點研發(fā)實用型14kW光纖激光器，攻克10kW光纖激光器產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。 高功率光纖激光器用大芯徑摻鐿光纖，為高功率光纖激光器及其核心光纖器件提供配套。 10kW高功率工業(yè)光纖激光器工程化和產(chǎn)品化，以滿足船舶、汽車、軍工及能源等行