激光表面表面處理技術(shù)及進(jìn)展

1、激光表面表面處理技術(shù)及進(jìn)展摘要：激光具有巨大的技術(shù)潛力，在冶金和材料加工中發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。激光表面處理由于其對工業(yè)和生產(chǎn)作出了巨大貢獻(xiàn)，已成為飛速成長的重要加工技術(shù)領(lǐng)域。本文較系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外激光表面處理技術(shù)的研究與應(yīng)用近況，指出了這項(xiàng)技術(shù)今后需解決的問題。關(guān)鍵字：激光；表面處理；進(jìn)展0 前言 激光的出現(xiàn)時近代物理學(xué)的一個重大進(jìn)展。第一臺激光器于60年代初問世，對激光表面熱處理工藝的研究早在激光器誕生后不久就已經(jīng)開始，但直到60年代末、70年代初才在熱處理生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。激光在金屬熱處理方面取得成功，標(biāo)志此技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)人了新灼階段。隨著大功率激光器的研制成功與不斷完善，這一新工藝用于汽車

2、轉(zhuǎn)向器表面處理的生產(chǎn)線1。國內(nèi)經(jīng)過“六五”計(jì)劃的聯(lián)合攻關(guān)，已在汽缸套等零部件的表面熱處理上獲得成功，取得了一批科研成果。隨之而發(fā)展的表面涂覆(cladding)，表面上釉(Glazing)及表面合金化(SurfaeeAlloing)等工藝2也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。與上述工藝相比較，激光表面熱處理是當(dāng)前比較成熟、應(yīng)用比較廣泛的工藝。1 激光表面處理技術(shù)的特點(diǎn)3 1)通過選擇激光波長調(diào)節(jié)激光功率等手段，能靈活地對復(fù)雜形狀工件或工件局部部位實(shí)施非接觸性急熱、急冷。該技術(shù)易控制處理范圍，熱影響區(qū)小，工件產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及變形很小。2)可在大氣、真空及各種氣氛中處理，制約條件少，且不造成化學(xué)污染。3)通常，

3、激光表面處理的改性效果比普通處理方法更顯著4)激光束能量集中，密度大，速度快，效率高，成本低。5)可縮短工藝流程，處理過程中工件可以運(yùn)動，故特別適合組織自動化處理線。6)激光束便于通過導(dǎo)光系統(tǒng)準(zhǔn)確地輸人與定位，亦能導(dǎo)向多個工作臺，可大大提高激光的使用率和處理的效率。7)激光表面處理尤其適用于大批量處理生產(chǎn)線，其成本比傳統(tǒng)的表面熱處理低。2 激光表面相變應(yīng)化(LTH) 不論激光束是如戶J產(chǎn)生的，激光束僅是一加熱金屬的熱源，金屬經(jīng)激光熱處理后，一般不出現(xiàn)異常的治全變化。相變硬化是一種兒乎無尺寸變化而能達(dá)到冶金相變的加工技術(shù)。利用激光束可以選擇小面積加熱和對需要部位硬化。實(shí)現(xiàn)激光相變硬化有三個基本條

4、件仁:第一，金屬硬化區(qū)必須達(dá)到奧氏體化溫度;第二，在加熱與冷卻周期內(nèi)硬化區(qū)在奧氏體化溫度區(qū)應(yīng)保持足夠長的時間，以保證碳能充分的擴(kuò)散;第三，應(yīng)具有足夠大的自身淬火能力，其冷卻速度應(yīng)超過臨界冷卻速度。金屬經(jīng)激光相變硬化的冶金變化不同于普通淬火之處有以下幾點(diǎn):(1)激光相變硬化后的硬度高于普通淬火。其原因一方面由于在很高抑制條件下形成馬氏體，另一方面則由于極快的加熱和冷卻速度使獲得變形馬氏體4。(2)激光相變硬化能力決定于所處理的材料。一般地說，凡適合于普通淬火的材料也適合于激光相變硬化。但對低碳鋼當(dāng)其碳含量在0.2%以下時普通淬火一般難于淬硬5，而激光相變硬化卻可以極快冷卻速度使其淬硬。對具有石墨

5、組織的鑄鐵普通淬火亦不易淬硬，但激光相變硬化也可使其淬硬，盡管在如此短的擴(kuò)散時間內(nèi)完成。(3)對于含有分散球狀碳化物的鋼或含大量石墨不含珠光體的鑄鐵，由于相變時間太短，激光相變硬化難以使其淬硬。 工具鋼和高速鋼的激光表面硬化引起許多研究者的興趣6。Brover13用脈沖激光器研究了不同組織的R6MS激光高溫快速硬化的可能性.實(shí)驗(yàn)證明，不同激光能量水平和加熱速度與不同原始組織配合，可以得到不同程度和均勻性的固溶體，從而得到在服役條件下所需要的優(yōu)化的數(shù)值。Mulin等14用l000J的激光器硬化12X18N9T，13N5A砧A和1201工具鋼。激光硬化的工具鋼的耐磨性是非硬化工具的20一25倍，是

6、帶有氮化欽表面涂層的2一4倍。3 激光表面熔化(LSM) 激光表面熔化在滿足表面某些需要，如耐磨性、耐蝕性、防止氧化等方面顯出獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)?？捎眉す獗砻嫒刍玫郊?xì)晶組織、非晶態(tài)和亞穩(wěn)相，低的氣孔率和光滑的表面，基體中較小的熱影響區(qū)以及良好的基體與表面的結(jié)合。光表面熔化施于鋼鐵常產(chǎn)生硬度很高的表面，可有效提高耐磨性;施于有色金屬常可獲得十分細(xì)而均勻的組織廣。激光熔化高速鋼時，先使原始組織迅速熔解，以后冷卻時可保留大量己鐵素體和奧氏體，可明顯地提高硬度.激光熔化鑄鐵時可在萊氏體區(qū)形成細(xì)組織涂層激光熔化鎳基合金時，則可得到過飽和基體相的細(xì)枝晶結(jié)構(gòu)，同時枝晶區(qū)域內(nèi)細(xì)MC碳化物質(zhì)點(diǎn)和共晶組成。美國NASAM

7、arshen航天中心正致力于提高航天飛機(jī)(SSME)許多零件的壽命或修復(fù)完成每一次飛行任務(wù)之后的零件。主燃燒室中最關(guān)鍵的部件是其內(nèi)襯(熱壁)，它由鍛造的NARloyz制成.該合金在580一760的溫度范圍暴露96h后，可觀察到晶界析出物及無析出區(qū)，這些都會降低主燃燒室內(nèi)襯的壽命.一旦析出物形成，除了用熔化方法以外，很難用熱處理的方法使其回到固溶體中去.激光上釉是細(xì)化鍛造NARloyz的顯微組織的一種很有效的方法.用這種方法得到了很細(xì)的激光上釉顯微組織，第二相均勻分布和錯在銅基體中的擴(kuò)展固溶體，使合金熱穩(wěn)定性和時效硬化得到很大改善。4 激光表面合金化(LSA) 許多鐵合金等較難熔材料在接觸激光功

8、率密度達(dá)106W/mm2的受熱表面時，足以達(dá)到107109K/s的加熱速度會發(fā)生熔化，其中的各種元素?cái)U(kuò)散進(jìn)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(jìn)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(jià)材料獲得表面耐磨、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(jìn)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

9、究者根據(jù)具體情況加強(qiáng)研究，已經(jīng)摸索出一些可行的辦法8。Ion用實(shí)驗(yàn)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(shí)，用激光加工過的材料在銷一柱磨損試驗(yàn)中表現(xiàn)出比Stelhte 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。5 激光表面沖擊硬化(LSH)激光沖擊硬化是前蘇聯(lián)學(xué)者在70年代初提出

10、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(jī)械性能。Chan使用名義功率為10GW/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(xiàn)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

11、的作用和沖擊波的作用加以區(qū)分。試驗(yàn)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(jìn)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。6 激光表面熔覆激光熔覆也稱激光包覆，是利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(qiáng)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

12、與外加金屬達(dá)封冶金結(jié)合，以增強(qiáng)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(kuò)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。可根據(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

13、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(jìn)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(dá)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(dá)11.2倍?？梢灶A(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-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(dú)到的優(yōu)點(diǎn):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。7 激光施袖激光上

14、釉是利用激光束熔化金屬表面后再以106/s的冷速進(jìn)行快速淬火和凝固夕使合金元素和碳的擴(kuò)散受到抑制.這樣一來，高溫相隨著其溶解度極限被保留到室溫，得到過飽和固溶體.然后再重新加熱進(jìn)行彌散硬化處理。此亞穩(wěn)相的熱處理使金屬的硬度和強(qiáng)度進(jìn)一步提高.激光施釉的快速冷卻提供了許多有用的冶金結(jié)構(gòu)，如非晶態(tài)組織，即金屬玻璃?！笆┯浴币辉~即由此而來.激光施釉層常包括非晶層與結(jié)晶層，結(jié)晶層內(nèi)主要為枝晶區(qū)，內(nèi)與基體相連，非晶層為表面層。激光施釉結(jié)合火焰噴涂、離子噴涂、離子沉積等沉積技術(shù)在控制組織、提高表面抗蝕、耐磨和性能方面日益顯示出廣闊的應(yīng)用前景。冷態(tài)工具鋼(50CrNi3，X1CrMOV12)、熱態(tài)工具鋼(NI

15、CrMoV，X32CrMoV33)和高速鋼先進(jìn)行離子涂WC一Co，然后激光施釉可顯著提高硬度。電子材料、磁性材料和其它一些電氣材料用激光施釉后用于檢驗(yàn)儀表上極為理想15。8 激光退火激光退火有兩類:一類是激光誘導(dǎo)表面熔化，通常稱“激光退火”;另一類是用激光束進(jìn)行局部軟化退火。激光退火常應(yīng)用于半導(dǎo)體，可消除硅中離子注入所產(chǎn)生的嚴(yán)重膨脹損傷，如對石墨帶加熱器已應(yīng)用激光退火，可在Si層上形成SiO2層。氧化物層通過別中氧離子注入形成。離子注入后表面Si層是高無序的，但尚不是非晶態(tài)，高溫(1200)退火將保持此Si層的晶性16。曾對冷加工金屬(CuNi4，SMnZ，SA14，CuNi78Z:，衛(wèi)。，X

16、12CrNi3和低碳鋼)和時效硬化材料(AIMgsiZ)的局部軟化進(jìn)行了研究。變形冷加工金屬被加熱至某一不熔化或熔化溫度時，會發(fā)生局部再結(jié)晶而降低硬度.可以預(yù)料，對整體材料的激光退火將會逐漸被應(yīng)用到材料加工制造工業(yè)上。9 激光氣相沉積激光氣相沉積可分為激光物理氣相沉積和激光化學(xué)氣相沉積，可以在基板上形成各種性能的薄膜，成膜速度快，質(zhì)量好。如用激光物理氣相沉積可以形成各種氧化物、氮化物的陶瓷鍍膜和氧化物高溫超導(dǎo)膜;用激光化學(xué)氣相沉積可合成金剛石薄膜和非晶態(tài)硅。日本已用激光化學(xué)氣相沉積法生長出五氧化擔(dān)薄膜，該薄膜具有極高的耐蝕性17。將分子束外延法和準(zhǔn)分子激光技術(shù)結(jié)合起來，可以一層層地控制氧化物薄

17、膜的形成過程。日本利用該技術(shù)已在Si上形成30層共901010m厚的極薄氧化柿膜，一層厚約31010m。目前，激光氣相沉積技術(shù)的研究和應(yīng)用正在蓬勃興起。10 激光表面處理過程中的殘余應(yīng)力激光表面處理可引起殘余應(yīng)力，但也可以降低或消除已產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力常是由未發(fā)生熔化的激光相變硬化誘導(dǎo)出來的，其特征為表面處理層上出現(xiàn)壓應(yīng)力，下方的加熱層出現(xiàn)拉應(yīng)力.通常后者較強(qiáng)而且十分危險(xiǎn)，它可導(dǎo)致裂紋.以45鋼為例18，由激相變誘出的殘余應(yīng)力通常從壓應(yīng)力200MPa變化至260MPa，拉應(yīng)力從300MPa變化至850MPa19在中碳鋼中激光相變硬化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力比在合金鋼中的效果好.經(jīng)多次激光處理反復(fù)出

18、現(xiàn)軟化和表面拉應(yīng)力的情況，是不理想的。對馬氏體鋼用Co基或Ni基粉末進(jìn)行包層時所誘出的殘余應(yīng)力在包層中為拉應(yīng)力，基體中為壓應(yīng)力.在包層表面可出觀285MPa的高表面殘余拉應(yīng)力20。通常皆采用高頻加熱、電阻加熱、放熱式混合加熱等方法來降低殘余應(yīng)力。但是這些方法的作用過程都比較慢，所以現(xiàn)已采用高強(qiáng)烈度的激光加熱來降低殘余應(yīng)力。顯然，通過快速供熱和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可產(chǎn)生熱靜力學(xué)波，當(dāng)入射能量強(qiáng)度是足夠高能熔化金屬時，可有效消除表面應(yīng)力.熱彈性波可使動應(yīng)力松馳，當(dāng)在表面層出現(xiàn)時，也能導(dǎo)致應(yīng)力消除。11 結(jié)束語 為了使激光表面處理技術(shù)獲得更普遍的應(yīng)用，還需解決好以下幾個問題:(l)研制出性能穩(wěn)定可靠、成本低的大功率激光設(shè)備;提高設(shè)備的配套化和自動化程度，以更好地實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制;擴(kuò)大激光表面處理技術(shù)的應(yīng)用范圍;推動寬帶掃描技術(shù)的發(fā)展，以解決窄帶掃描搭接帶軟化問題;進(jìn)一步提高生產(chǎn)率;促進(jìn)激光表面處理技術(shù)的普遍應(yīng)用。(2)加強(qiáng)對激光表面處理技術(shù)