激光表面改性技術(shù)

1、BEIHANG UNIVERSITY激光表面改性技術(shù)激光表面改性技術(shù)北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院BEIHANG UNIVERSITY激光的概念及其特性激光技術(shù)的發(fā)展歷史 激光激光是一種相位一致，波長(zhǎng)一定，方向性極強(qiáng)的是一種相位一致，波長(zhǎng)一定，方向性極強(qiáng)的電磁波電磁波激光束由一系激光束由一系列反射鏡和透鏡來(lái)控制，可以列反射鏡和透鏡來(lái)控制，可以聚焦成直徑很小聚焦成直徑很小的光的光(直徑只有直徑只有01 mm)，從，從而可以獲得極而可以獲得極高的功率密度高的功率密度(104-109w/cm2)。激光與金屬之間的互相作用按。激光與金屬之間的互相作用按激光強(qiáng)度和輻射時(shí)間分為幾個(gè)階段：吸收光束、能量

2、傳遞、金屬組織的改激光強(qiáng)度和輻射時(shí)間分為幾個(gè)階段：吸收光束、能量傳遞、金屬組織的改變和激光作用的冷卻等。它對(duì)材料表面可產(chǎn)生加熱、熔化和沖擊作用。隨變和激光作用的冷卻等。它對(duì)材料表面可產(chǎn)生加熱、熔化和沖擊作用。隨著大功率激光器出現(xiàn)，以及激光束調(diào)制、瞄準(zhǔn)等技術(shù)的發(fā)展激光技術(shù)進(jìn)著大功率激光器出現(xiàn)，以及激光束調(diào)制、瞄準(zhǔn)等技術(shù)的發(fā)展激光技術(shù)進(jìn)入金屬材料表面熱處理和表面合金化技術(shù)領(lǐng)域，并在近幾年得到迅速發(fā)展入金屬材料表面熱處理和表面合金化技術(shù)領(lǐng)域，并在近幾年得到迅速發(fā)展。 激光加工技術(shù)的研究始于激光加工技術(shù)的研究始于20世紀(jì)世紀(jì)60年代。但到年代。但到20世紀(jì)世紀(jì)70年代初研制出年代初研制出大功率激光器之

3、后，激光表面處理技術(shù)才獲得實(shí)際的應(yīng)用。大功率激光器之后，激光表面處理技術(shù)才獲得實(shí)際的應(yīng)用。1973年，美國(guó)年，美國(guó)BEIHANG UNIVERSITY激光表面改性技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)激光表面改性技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn) 激光表面處理激光表面處理是采用大功率密度的激光束，以是采用大功率密度的激光束，以非接觸性非接觸性的方式加熱材的方式加熱材料表面，料表面，在材料表面形成一定厚度的處理層，在材料表面形成一定厚度的處理層，借助于材料表面本身傳導(dǎo)借助于材料表面本身傳導(dǎo)冷卻，來(lái)實(shí)現(xiàn)其表面改性的工藝方，冷卻，來(lái)實(shí)現(xiàn)其表面改性的工藝方，可以改善材料表面的力學(xué)性能、冶可以改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件的

4、耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能金性能、物理性能，從而提高零件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能以滿(mǎn)足各種不同的使用要求。激光表面改性技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天以滿(mǎn)足各種不同的使用要求。激光表面改性技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、電器、兵器和汽車(chē)制造行業(yè)。、機(jī)械、電器、兵器和汽車(chē)制造行業(yè)。AVCO公司提出了金屬表面激光熱處理的設(shè)想；公司提出了金屬表面激光熱處理的設(shè)想；1974年申請(qǐng)了世界上第一年申請(qǐng)了世界上第一個(gè)激光熔覆專(zhuān)利，并在近十年內(nèi)得到迅速發(fā)展。個(gè)激光熔覆專(zhuān)利，并在近十年內(nèi)得到迅速發(fā)展。 BEIHANG UNIVERSITY激光表面改性技術(shù)優(yōu)點(diǎn)(1)能量傳遞方便，可以對(duì)被處理工件表面有選擇的局

5、部強(qiáng)化：能量傳遞方便，可以對(duì)被處理工件表面有選擇的局部強(qiáng)化：(2)能量作用集中，加工時(shí)間短，熱影響區(qū)小，激光處理后，工件變形小；能量作用集中，加工時(shí)間短，熱影響區(qū)小，激光處理后，工件變形??；(3)處理表面形狀復(fù)雜的工件，而且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線：處理表面形狀復(fù)雜的工件，而且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線：(4)改性效果比普通方法更顯著，速度快，效率高，成本低；改性效果比普通方法更顯著，速度快，效率高，成本低；(5)通常只能處理一些薄板金屬，不適宜處理較厚的板材；通常只能處理一些薄板金屬，不適宜處理較厚的板材；(6)由于激光對(duì)人眼的傷害性影響工作人員的安全，因此要致力于發(fā)展安全由于激光對(duì)人眼的傷害性影響工

6、作人員的安全，因此要致力于發(fā)展安全設(shè)施。設(shè)施。BEIHANG UNIVERSITY激光表面 改性技術(shù)的分類(lèi) 激光表面改性技術(shù)的分類(lèi)方法很多，通?？梢愿鶕?jù)其是否改變基材成分激光表面改性技術(shù)的分類(lèi)方法很多，通常可以根據(jù)其是否改變基材成分分成兩大類(lèi)：分成兩大類(lèi)：激光表面改性技術(shù)激光表面改性技術(shù)不改變基材成分不改變基材成分改變基材成分改變基材成分激光淬火激光淬火(激光相變硬化激光相變硬化)激光極化激光極化激光熔凝淬火激光熔凝淬火激光沖擊硬化激光沖擊硬化激光熔覆激光熔覆激光合金化激光合金化激光清洗激光清洗激光組織細(xì)化激光組織細(xì)化激光物理氣象沉積激光物理氣象沉積激光增強(qiáng)電鍍激光增強(qiáng)電鍍激光化學(xué)氣相沉積激光

7、化學(xué)氣相沉積激光退火激光退火激光非晶化激光非晶化激光誘導(dǎo)液相沉積激光誘導(dǎo)液相沉積BEIHANG UNIVERSITY激光淬火技術(shù) 激光淬火又稱(chēng)激光相變硬化，就是利用激光將金屬材料加熱到相變點(diǎn)以上，激光淬火又稱(chēng)激光相變硬化，就是利用激光將金屬材料加熱到相變點(diǎn)以上，金屬熔化以前，依靠金屬金屬熔化以前，依靠金屬自身冷卻自身冷卻達(dá)到淬火的目的。達(dá)到淬火的目的。激光相變硬化的實(shí)質(zhì)是激光相變硬化的實(shí)質(zhì)是馬氏體相變硬化。馬氏體相變硬化。馬氏體和亞結(jié)構(gòu)晶粒都被超細(xì)化，相變硬化后殘余奧氏體馬氏體和亞結(jié)構(gòu)晶粒都被超細(xì)化，相變硬化后殘余奧氏體也被顯著強(qiáng)化。與常規(guī)熱處理淬火相比較，激光相變后材料也被顯著強(qiáng)化。與常規(guī)熱

8、處理淬火相比較，激光相變后材料硬度要提高硬度要提高，低，低碳鋼也能提高一定的硬度。碳鋼也能提高一定的硬度。優(yōu)點(diǎn)（1）工件表面強(qiáng)度高，比常規(guī)淬火高）工件表面強(qiáng)度高，比常規(guī)淬火高5%-20% （2）加熱速度快，熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力及變形小）加熱速度快，熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力及變形?。?）可對(duì)形狀復(fù)雜的零件盒不能用其他方法處理的零件進(jìn)行局部硬化）可對(duì)形狀復(fù)雜的零件盒不能用其他方法處理的零件進(jìn)行局部硬化（4）工藝周期短，生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化）工藝周期短，生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化（5）激光淬火靠熱量由表及里的傳導(dǎo)自冷，無(wú)需冷介質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染小）激光淬火靠熱量由表及里的傳導(dǎo)自冷，無(wú)需冷介質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染小

9、BEIHANG UNIVERSITY激光表面熔凝 激光表面熔凝是采用高能量密度的激光，將材料表面層熔化，激光表面熔凝是采用高能量密度的激光，將材料表面層熔化，然后依靠材料然后依靠材料自身快速冷卻凝固自身快速冷卻凝固。利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)材。利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料表面料表面局部的快速加熱和冷卻局部的快速加熱和冷卻，從而獲得非常細(xì)密的非平衡快速，從而獲得非常細(xì)密的非平衡快速凝固組織。在較大的程度上增強(qiáng)了材料表層的耐磨性和耐蝕性，凝固組織。在較大的程度上增強(qiáng)了材料表層的耐磨性和耐蝕性，使材料性能得到改善。使材料性能得到改善。優(yōu)點(diǎn)（1 1）表面熔化時(shí)可添加超硬耐磨金屬元素或化學(xué)元素，熔凝）表

10、面熔化時(shí)可添加超硬耐磨金屬元素或化學(xué)元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。層與材料基體形成冶金結(jié)合。 （2 2）熔凝過(guò)程中，可以排除雜質(zhì)和氣體。）熔凝過(guò)程中，可以排除雜質(zhì)和氣體。（3）其熔層薄、熱作用區(qū)小，對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響其熔層薄、熱作用區(qū)小，對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大，有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。不大，有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。（4）提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限。提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限。BEIHANG UNIVERSITY激光沖擊硬化 利用高能密度激光束照射金屬材料表面，由于金屬升華氣化而急速利用高能密度激光束照射金屬材料表面，由于金屬升華氣化而急速膨脹，

11、產(chǎn)生的高于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的高壓應(yīng)力波，從而提高了金膨脹，產(chǎn)生的高于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的高壓應(yīng)力波，從而提高了金屬材料的物理機(jī)械性能。屬材料的物理機(jī)械性能。激光沖擊硬化原理示意圖激光沖擊硬化原理示意圖BEIHANG UNIVERSITY優(yōu)點(diǎn)（1）激光沖擊強(qiáng)化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蝕性能。）激光沖擊強(qiáng)化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蝕性能。（2）大大提高材料的強(qiáng)度和硬度。這項(xiàng)新技術(shù)最顯著的特點(diǎn)）大大提高材料的強(qiáng)度和硬度。這項(xiàng)新技術(shù)最顯著的特點(diǎn)（3）最大的優(yōu)點(diǎn)最大的優(yōu)點(diǎn)在于明顯改善材料的抗疲勞性能。在于明顯改善材料的抗疲勞性能。（由于激光沖（由于激光沖擊強(qiáng)化后使材料產(chǎn)生的變形很小，不產(chǎn)生熱影

12、響區(qū)，也不改變材料的表面粗糙度，非常擊強(qiáng)化后使材料產(chǎn)生的變形很小，不產(chǎn)生熱影響區(qū)，也不改變材料的表面粗糙度，非常適合于微孔區(qū)、焊縫熱影響區(qū)等局部區(qū)域的表面強(qiáng)化。）適合于微孔區(qū)、焊縫熱影響區(qū)等局部區(qū)域的表面強(qiáng)化。）BEIHANG UNIVERSITY激光表面合金化 利用高能量的激光束使根據(jù)需求加入的合金層涂層與基利用高能量的激光束使根據(jù)需求加入的合金層涂層與基體金屬表面混合熔化，在極短的時(shí)間內(nèi)，形成不同化學(xué)成分體金屬表面混合熔化，在極短的時(shí)間內(nèi)，形成不同化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)表面的合金層。和結(jié)構(gòu)表面的合金層。激光表面合金化原理示意圖激光表面合金化原理示意圖BEIHANG UNIVERSITY優(yōu)點(diǎn)（1）發(fā)

13、生成分、組織和性能變化的熔化區(qū)及熱影響區(qū)都很小。）發(fā)生成分、組織和性能變化的熔化區(qū)及熱影響區(qū)都很小。（2）合金元素完全溶解于表層內(nèi)，獲得的改性層成分很均勻。）合金元素完全溶解于表層內(nèi)，獲得的改性層成分很均勻。（3）激光表面合金化與激光熔覆有許多相似之處，但激光熔覆后，）激光表面合金化與激光熔覆有許多相似之處，但激光熔覆后，體成分基本上不進(jìn)入涂層中，而激光表面合金化形成的表面層體成分基本上不進(jìn)入涂層中，而激光表面合金化形成的表面層是合金涂層與基體共同形成的混合層。是合金涂層與基體共同形成的混合層。 BEIHANG UNIVERSITY激光表面熔覆 激光熔覆是采用大功率激光束掃描金屬表面，將選定的材料熔激光熔覆是采用大功率激光束掃描金屬表面，將選定的材料熔化到金屬表面，形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蝕等特性的涂化到金屬表面，形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蝕等特性的涂覆層。覆層。激光熔覆技術(shù)示意圖激光熔覆技術(shù)示意圖1.短型光束或高斯型光束短型光束或高斯型光束 2. 氣動(dòng)送粉氣動(dòng)送粉 3. 測(cè)量孔測(cè)量孔 4. 振動(dòng)器振動(dòng)器5. 粉末漏斗箱粉末漏斗箱 6.CO2 氣體激光束高頻振動(dòng)氣體激光束高頻振動(dòng) 7. 樣品運(yùn)動(dòng)（樣品運(yùn)動(dòng)（25.476.2cm/min） 8. 樣