激光相變及應(yīng)用課件

3·1+激光相變及應(yīng)用3·1+激光相變及應(yīng)用3·1+激光相變及應(yīng)用激光與物質(zhì)相互作用任課老師：秦應(yīng)雄講師電話：87541774/62274402Email:Laser-MatterInteraction本科課程試講內(nèi)容提要第三章激光輻照下的熱效應(yīng)及應(yīng)用

3.1激光相變及應(yīng)用（1）激光熱效應(yīng)概述（2）金屬學(xué)相關(guān)知識（3）激光相變機理（4）激光相變技術(shù)（5）激光相變應(yīng)用要求：1、掌握材料在激光熱作用下的相變機理與特點2、熟悉激光相變的相關(guān)應(yīng)用。思考：1、材料表面激光相變硬化的兩個主要條件是什么？對激光光束和工件有什么要求？3·1+激光相變及應(yīng)用3·1+激光相變及應(yīng)用3·1+激光相變1激光相變及應(yīng)用課件2激光相變及應(yīng)用課件3激光相變及應(yīng)用課件4激光相變及應(yīng)用課件5激光相變及應(yīng)用課件6（1）金屬學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)

鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料。

為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，得到不同的應(yīng)用要求，如不同機械性能的結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等。

熱處理就是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的操作工藝。（1）金屬學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料。7相關(guān)知識什么是相、組織、相變、淬火？相是由成分相同、結(jié)構(gòu)相似、性能相同的物質(zhì)組成。組織是一種結(jié)合形態(tài)，可以由一個相和多個相組成。奧氏體相鐵素體相奧氏體相：碳在面心立方鐵中的間隙固溶體（相變溫度以上）鐵素體相：碳在體心立方鐵中的間隙固溶體（低溫）馬氏體相：碳在體心立方鐵中的過飽和間隙固溶體（快冷組織，硬度高）馬氏體奧氏體

相變常指一種組織（相）在溫度或壓力變化時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或多種組織（相）的過程。

淬火是將鋼（鐵素體）加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，形成奧氏體，然后很快放入淬火劑中，使其以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度。相關(guān)知識什么是相、組織、相變、淬火？相是由成分相同、結(jié)構(gòu)相似8鐵碳相圖轉(zhuǎn)變溫度鐵碳相圖轉(zhuǎn)變溫度9連續(xù)冷卻曲線(1)高溫轉(zhuǎn)變－在A1～550℃之間,過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織,此溫區(qū)稱珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)。(2)中溫轉(zhuǎn)變－在550℃～Ms之間,過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體型組織,此溫區(qū)稱貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。(3)過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是低溫轉(zhuǎn)變過程,轉(zhuǎn)變溫度在Ms～Mf之間,該溫區(qū)稱馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。連續(xù)冷卻曲線(1)高溫轉(zhuǎn)變－在A1～550℃之間,10（1）激光相變機理激光照射材料材料反射與吸收溫度快速升高奧氏體轉(zhuǎn)變快速冷卻馬氏體轉(zhuǎn)變淬火硬化機制是：當采用激光掃描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速達到極高的溫度（升溫速度可達103—106℃.s-1

以上），此時工件內(nèi)部仍處于冷態(tài)，隨著激光束離開零件表面，由于熱傳導(dǎo)作用，表面能量迅速向內(nèi)部傳遞，使表層以極高的冷卻速度(可達106℃.s-1)冷卻，故可進行自身淬火，實現(xiàn)工件表面相變硬化。（1）激光相變機理激光照射材料材料反射與吸收溫度快速升高奧氏11激光相變的條件1.

Tmax(0,t):相變溫度（奧氏體化溫度）以上，且熔點以下；2.必須在相變點A1處以高于臨界冷卻速度冷卻。功率密度：103～104W/cm2

自身工件具有一定大小，實現(xiàn)自我快速冷卻。能量擴散激光入射激光反射溫度條件：溫度升高的速度取決于材料中能量吸收與能量消散之間的比例。如果材料吸收激光的能量遠大于擴散的能量，激光光斑處的溫度溫度將急劇升高，導(dǎo)致材料熔化，甚至汽化，反之，激光光斑處的溫度升高將很有限。激光相變的條件1.Tmax(0,t):相變溫度（12激光表面淬火特點質(zhì)量優(yōu)勢技術(shù)特質(zhì)適用材料實際應(yīng)用

1．淬火零件不變形

激光淬火的熱循環(huán)過程快

中碳鋼

大型軸類

2．幾乎不破壞表面粗糙度

采用防氧化保護薄涂層

模具鋼

各種模具

3．激光淬火不開裂

精確定量的數(shù)控淬火

冷作模具鋼

模具、刃具

4．對局部、溝、槽淬火

定位精確的數(shù)控淬火

中碳合金鋼

減振器

5．激光淬火清潔、高效

不需要水或油等冷卻介質(zhì)

鑄鐵材料

發(fā)動機汽缸

6．淬火硬度比常規(guī)方法高

淬火層組織細密、強韌性好

高碳合金鋼

大型軋輥激光表面淬火特點質(zhì)量優(yōu)勢技術(shù)特質(zhì)適用材料實際應(yīng)用

113（2）激光相變技術(shù)A,B部分硬化C部分硬化不夠如何提高相變硬化深度、均勻性、效率，減少缺陷？（2）激光相變技術(shù)A,B部分硬化如何提高相變硬化深度、均勻性14工件預(yù)處理方法磷化：工件表面形成一層磷酸錳等磷化薄膜。經(jīng)過鱗化后材料表面吸收率80%以上。黑漆：其主要成分為石墨粉和碳酸鈉或硅酸鉀，采用噴涂法。碳素石墨：小批量的激光相變淬火試驗時，經(jīng)濟又方便。SiO2型涂料國內(nèi)90年代研制了一種以SiO2為骨料的可噴材料。選用200—300目精制石英粉，其中涂料被認為除對激光有較高吸收率外，還能在激光輻射下形成液態(tài)均勻覆蓋于金屬表面，冷卻后形成固態(tài)薄膜。日本佳友公司還開發(fā)出一種Nextel01型涂料，對CO2激光的吸收率可達90—95%，其主要成分也是SiO2。工件預(yù)處理方法磷化：工件表面形成一層磷酸錳等磷化薄膜。經(jīng)過15光束均勻化變換系統(tǒng)振鏡轉(zhuǎn)鏡積分鏡光束均勻化變換系統(tǒng)振鏡16轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)鏡17軋輥激光表面強化軋輥激光表面強化18軋輥激光表面工藝（四）選定工藝參數(shù)軋輥機加工軋輥吊上激光加工機床裝夾（一）軋輥表面清洗軋輥吊離激光加工機床（五）激光表面強化（三）吸光涂層烘干（二）噴涂吸光涂層軋輥激光表面工藝（四）選定工藝參數(shù)軋輥機加工軋輥吊上激光加工19激光熔凝處理激光熔化凝固處理（簡稱激光熔凝處理）是以高功率密度（105～106W/cm2）的激光，在極短的時間內(nèi)（10-2～10-3s）與金屬交互作用，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當高的溫度使之熔化，隨后，借助冷態(tài)金屬基體的吸熱和傳導(dǎo)作用，使得已熔化的表層金屬快速凝固。激光熔凝得到的是細小的鑄態(tài)組織，其硬度較高，耐磨性亦較好。熔凝區(qū)相變硬化區(qū)過渡區(qū)母材相變硬化區(qū)（白亮區(qū)）過渡區(qū)母材（a）熔凝處理（b）相變硬化處理激光熔凝處理激光熔化凝固處理（簡稱激光熔凝處理）是20熔凝區(qū)硬度(HV)切分輪硬度壓痕中心離表面距離(mm)母材相變硬化區(qū)＋過渡區(qū)熔凝區(qū)硬度(HV)切分輪硬度壓痕中心離表面距離(mm)母材相21工藝參數(shù)鑄鋼軋輥(Ф600mm)的激光表面強化處理工藝參數(shù)為：激光功率P=3.5～4.0KW、光斑直徑D=6～6.5mm、掃描速度V=0.83轉(zhuǎn)/分螺距n＝4～5.5mm此工藝參數(shù)所獲得的淬硬層深度約為1mm工藝參數(shù)鑄鋼軋輥(Ф600mm)的激光表面強化處理工藝參22激光相變及應(yīng)用課件23激光相變及應(yīng)用課件24氣缸表面處理工藝氣缸表面處理工藝25（5）激光相變應(yīng)用軋輥激光表面相變硬化瓦楞輥激光表面相變硬化（5）激光相變應(yīng)用軋輥激光表面相變硬化瓦楞輥激光表面相變硬化26大型內(nèi)齒圈-激光淬火減振器內(nèi)槽-激光淬火鑄鋼-大型雙聯(lián)齒輪-激光淬火鑄鐵-發(fā)動機缸孔-激光淬火激光相變應(yīng)用大型內(nèi)齒圈-激光淬火減振器內(nèi)槽-激光淬火鑄鋼-大型雙聯(lián)齒27激光相變應(yīng)用模具錘頭-激光淬火鑄鐵-摩擦輪-激光淬火大型軸承套圈-激光淬火鋼軌激光表面強化激光相變應(yīng)用模具錘頭-激光淬火鑄鐵-摩擦輪-激光淬火大型軸承28

軋輥表面激光熔凝淬火工藝軋輥表面激光熔凝淬火工藝29激光相變及應(yīng)用課件30激光相變及應(yīng)用課件31激光熱處理設(shè)備激光熱處理設(shè)備32激光相變熱處理生產(chǎn)線激光相變熱處理生產(chǎn)線33小結(jié)1、激光相變機理2、激光相變技術(shù)與應(yīng)用重點掌握激光相變作用過程中的熱作用過程和激光相變硬化機制。小結(jié)343.2激光熔覆與合金化

激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加熱的特點，使基材表層金屬和所添加的合金元素熔化混合，在基材表面形成一層具有一定濃度且成分均勻的合金層，從而滿足對工件耐磨、耐蝕、耐高溫抗氧化等特殊性能的要求。

激光熔敷通過在基體材料表面添加熔敷材料，并利用高能密度的激光束使熔敷材料熔化，并與材料表面形成冶金連接在金屬表面形成以熔敷的材料為基體的表面強化層。激光熔敷不是以基體上的熔敷金屬為溶劑加入合金元素，而是用另行配制的合金粉末被激光熔化，成為熔敷層的主體合金，同時基體金屬也有一薄層熔化與熔敷層結(jié)合。3.2激光熔覆與合金化激光表面合金化是利用高35激光熔覆，激光合金化的傳質(zhì)激光熔覆，激光合金化的傳質(zhì)36激光合金化與熔覆材料的供料方式激光合金化與熔覆材料的供料方式37一維修復(fù)技術(shù)光束、送粉頭在一個平面內(nèi)固定不動。側(cè)向送粉，單向運動，重力送粉。用于軋輥、長軸零件修復(fù)，效果顯著。一維修復(fù)技術(shù)光束、送粉頭在一個平面內(nèi)固定不動。側(cè)向送粉，單向38二維修復(fù)技術(shù)光束、粉末流沿光軸方向同軸輸出，工作頭不動，與機床實現(xiàn)二維平面運動。重力送粉。二維修復(fù)技術(shù)光束、粉末流沿光軸方向同軸輸出，工作頭不動，與機39三維修復(fù)技術(shù)三維旋轉(zhuǎn)光頭、三維同軸送粉、三維氣動送粉、三維空間熔敷。三維修復(fù)技術(shù)三維旋轉(zhuǎn)光頭、三維同軸送粉、40（ａ）不同類型同軸送粉工作頭（ｂ）用于激光熔焊的送粉頭（ｃ）高功率激光送粉頭激光熔覆專用同軸送粉頭（ａ）不同類型同軸送粉工作頭（ｂ）用于激光熔（ｃ）高功率激41合金粉末激光合金化和熔覆一般均與合金粉末為引入材料。根據(jù)激光合金化和熔覆的應(yīng)用，對粉末有以下基本要求:

(1)應(yīng)具有所需要的實用性能，例如耐磨，耐蝕，耐高溫，抗氧化等特性性能。

(2)具有良好的固態(tài)流動性，粉末的流動性與粉粒的形狀，粒度，表面形狀及粉末的濕度等因素有關(guān)。

(3)粉末材料的熱漲系數(shù)，導(dǎo)熱性應(yīng)盡可能與工件材料相接近，以減少合金層的殘余應(yīng)力。

(4)具有良好的濕潤性，濕潤性與表面張力有關(guān)，表面張力愈小，濕潤角愈小，液體流動性愈好。合金粉末激光合金化和熔覆一般均與合金粉末為引42常用于激光熔覆或合金化的粉末1.自熔性合金粉末：目前國內(nèi)生產(chǎn)的自熔性合金粉末可分為鎳基，鈷基和鐵基三大類，還有WC性自熔性合金粉末，它是在上述3大類合金中加入一定量的高硬度WC制成的。2.復(fù)合粉末：復(fù)合粉末是一種新型的表面強化工程材料。復(fù)合粉末主要有硬質(zhì)耐磨復(fù)合粉末，如Co/WC,Ni/WC，Co/Cr2C2等；減磨潤滑復(fù)合粉末，如Ni/AL，Ni—Cr/AL，Co—Cr—Al—Y等。陶瓷粉末有Al2O3，ZrO2，Y2O3，MgO，CaO等。金屬陶瓷復(fù)合粉末，如MgO，ZrO2—NiAL和Y2O3—ZrO2—CoCrAlY等。耐磨金屬陶瓷復(fù)合粉末，如Ni/AL，Ni—Cr/AL及NiCrAlY等。常用于激光熔覆或合金化的粉末1.自熔性合金粉末：43激光合金化典型實例鐵系合金的激光合金化蘇聯(lián)A.Bgenokw等采用固體激光進行了工業(yè)純鐵添Mo的激光合金化。用激光脈沖能量9J，脈寬4ns的脈沖釹玻璃激光器。激光功率密度為6×105W/cm2，得到激光合金化深度為450—500um，硬度比工業(yè)純鐵提高1.5倍。L.S.Weiuman等用連續(xù)激光器，采用功率密度107W/cm2對基體為AISI1008鋼進行添Cr合金化，合金層中Cr含量基本均勻。J.Mazumden等采用10KWCO2激光器，功率密度108W/cm2，采用同步送粉法將粉質(zhì)為2μm的Fe+Cr+Ni合金粉末吹入激光作用熔池實現(xiàn)激光合金化。試驗結(jié)果表明，經(jīng)激光表面合金化后的耐腐蝕性能比不銹鋼還強。鄭啟光，王華明等人1996年采用大功率CO2激光器對Ti合金和Al合金進行激光熔池吹N2氣，在高溫下合成TiN和AlN合金層。激光合金化典型實例鐵系合金的激光合金化44鈷基合金的激光熔覆鈷基合金具有很高的高溫性能和綜合機械性能，其中以司太立合金為最多.格蘭姆茲（D.S.Gnamcthu）用司太立1號合金鑄棒放在AISI4815鋼上，鑄棒為M7C3和M6C細粉分布于奧姓體鈷的基體上，直徑為3mm的鋼的基體預(yù)熱至250℃，激光功率為3500W，光斑直徑6.4mm，掃描速度4.2mm.s-1，用氫氣和氬氣保護。用電子探針測得熔覆層中含鈷51%，含漯31%，含鎢13%。在整個熔覆層內(nèi)成分均勻并且組織均勻，基體進入熔覆層的重量小于5%，硬度在HV0.5730以上。邁格（J.H.Megaw）等進行了司太立6號（Co63%，Cr27%，鎢4%，鐵5%，碳1%）的激光熔覆試驗，利用CL5型5KW連續(xù)CO2激光器，環(huán)形光束，外徑35mm，內(nèi)徑15mm，掃描速度為2.8—6.7mm.s-1，在激光照射區(qū)用氬氣保護，粉末預(yù)置厚度為1mm。在多道搭接熔覆時，在熔覆道之間放置粉末。在以鑄鐵為基體的激光熔覆試驗中遇到了氣孔問題。鈷基合金的激光熔覆鈷基合金具有很高的高溫性能和45激光相變及應(yīng)用課件46激光熔覆層的顯微硬度平均值在HV794，最高達HV857。其硬度比等離子噴焊層提高44%，比火焰堆焊層提高78.9%。激光熔覆的硬度均勻性比等離子噴焊層和火焰堆焊層的硬度均勻性分別提高40%和25%。（a）激光熔覆層（b）等離子噴焊層（a）激光熔覆層（b）等離子噴焊層47

大型曲軸的激光熔覆工藝大型曲軸的激光熔覆48

大型曲軸激光熔覆工藝大型曲49激光熔覆應(yīng)用實例激光熔覆應(yīng)用實例50油田鉆井軸激光熔覆油田鉆井軸激光熔覆51激光相變及應(yīng)用課件52激光相變及應(yīng)用課件53金屬零件的直接制造金屬零件的直接制造54激光相變及應(yīng)用課件553.3激光毛化激光毛化冷軋輥技術(shù)是八十年代在世界上才發(fā)展起來的生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋薄鋼板新技術(shù)。毛化薄鋼板具有優(yōu)良的成型性和表面涂鍍性，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋毛化板，首先要對軋輥進行毛化，然后軋機使用毛化軋輥再軋制出所需的冷軋毛化薄板。激光毛化技術(shù)是采用高能量、高重復(fù)頻率的脈沖激光束在聚焦后的負離焦照射到軋輥表面實施預(yù)熱和強化，在聚焦后的聚焦點入射到軋輥表面形成微小熔池，同時由側(cè)吹裝置對微小熔池施于設(shè)定壓力和流量的輔助氣體，使熔池中的熔融物按指定要求盡量堆積到融池邊緣形成圓弧形凸臺（峰值數(shù)）。上述預(yù)熱區(qū)、微坑、凸臺在軋輥自導(dǎo)熱的作用下迅速冷卻形成硬度區(qū)形貌。3.3激光毛化激光毛化冷軋輥技術(shù)是八十年代在56CO2激光毛化軋輥表面微觀形貌CO2激光毛化軋輥表面微觀形貌57武鋼軋輥激光毛化現(xiàn)場武鋼軋輥激光毛化現(xiàn)場58新型斬光盤新型斬光盤59大型軋輥激光毛化成套設(shè)備大型軋輥激光毛化成套設(shè)備60ThankYou!ThankYou!61謝謝你的閱讀知識就是財富豐富你的人生71、既然我已經(jīng)踏上這條道路，那么，任何東西都不應(yīng)妨礙我沿著這條路走下去?！档?/p>

72、家庭成為快樂的種子在外也不致成為障礙物但在旅行之際卻是夜間的伴侶?！魅_

73、堅持意志偉大的事業(yè)需要始終不渝的精神。——伏爾泰

74、路漫漫其修道遠，吾將上下而求索?！?/p>

75、內(nèi)外相應(yīng)，言行相稱?！n非謝謝你的閱讀知識就是財富71、既然我已經(jīng)踏上這條道路，那么，623·1+激光相變及應(yīng)用3·1+激光相變及應(yīng)用3·1+激光相變及應(yīng)用激光與物質(zhì)相互作用任課老師：秦應(yīng)雄講師電話：87541774/62274402Email:Laser-MatterInteraction本科課程試講內(nèi)容提要第三章激光輻照下的熱效應(yīng)及應(yīng)用

3.1激光相變及應(yīng)用（1）激光熱效應(yīng)概述（2）金屬學(xué)相關(guān)知識（3）激光相變機理（4）激光相變技術(shù)（5）激光相變應(yīng)用要求：1、掌握材料在激光熱作用下的相變機理與特點2、熟悉激光相變的相關(guān)應(yīng)用。思考：1、材料表面激光相變硬化的兩個主要條件是什么？對激光光束和工件有什么要求？3·1+激光相變及應(yīng)用3·1+激光相變及應(yīng)用3·1+激光相變63激光相變及應(yīng)用課件64激光相變及應(yīng)用課件65激光相變及應(yīng)用課件66激光相變及應(yīng)用課件67激光相變及應(yīng)用課件68（1）金屬學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)

鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料。

為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，得到不同的應(yīng)用要求，如不同機械性能的結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等。

熱處理就是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的操作工藝。（1）金屬學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料。69相關(guān)知識什么是相、組織、相變、淬火？相是由成分相同、結(jié)構(gòu)相似、性能相同的物質(zhì)組成。組織是一種結(jié)合形態(tài)，可以由一個相和多個相組成。奧氏體相鐵素體相奧氏體相：碳在面心立方鐵中的間隙固溶體（相變溫度以上）鐵素體相：碳在體心立方鐵中的間隙固溶體（低溫）馬氏體相：碳在體心立方鐵中的過飽和間隙固溶體（快冷組織，硬度高）馬氏體奧氏體

相變常指一種組織（相）在溫度或壓力變化時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或多種組織（相）的過程。

淬火是將鋼（鐵素體）加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，形成奧氏體，然后很快放入淬火劑中，使其以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度。相關(guān)知識什么是相、組織、相變、淬火？相是由成分相同、結(jié)構(gòu)相似70鐵碳相圖轉(zhuǎn)變溫度鐵碳相圖轉(zhuǎn)變溫度71連續(xù)冷卻曲線(1)高溫轉(zhuǎn)變－在A1～550℃之間,過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織,此溫區(qū)稱珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)。(2)中溫轉(zhuǎn)變－在550℃～Ms之間,過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體型組織,此溫區(qū)稱貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。(3)過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是低溫轉(zhuǎn)變過程,轉(zhuǎn)變溫度在Ms～Mf之間,該溫區(qū)稱馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。連續(xù)冷卻曲線(1)高溫轉(zhuǎn)變－在A1～550℃之間,72（1）激光相變機理激光照射材料材料反射與吸收溫度快速升高奧氏體轉(zhuǎn)變快速冷卻馬氏體轉(zhuǎn)變淬火硬化機制是：當采用激光掃描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速達到極高的溫度（升溫速度可達103—106℃.s-1

以上），此時工件內(nèi)部仍處于冷態(tài)，隨著激光束離開零件表面，由于熱傳導(dǎo)作用，表面能量迅速向內(nèi)部傳遞，使表層以極高的冷卻速度(可達106℃.s-1)冷卻，故可進行自身淬火，實現(xiàn)工件表面相變硬化。（1）激光相變機理激光照射材料材料反射與吸收溫度快速升高奧氏73激光相變的條件1.

Tmax(0,t):相變溫度（奧氏體化溫度）以上，且熔點以下；2.必須在相變點A1處以高于臨界冷卻速度冷卻。功率密度：103～104W/cm2

自身工件具有一定大小，實現(xiàn)自我快速冷卻。能量擴散激光入射激光反射溫度條件：溫度升高的速度取決于材料中能量吸收與能量消散之間的比例。如果材料吸收激光的能量遠大于擴散的能量，激光光斑處的溫度溫度將急劇升高，導(dǎo)致材料熔化，甚至汽化，反之，激光光斑處的溫度升高將很有限。激光相變的條件1.Tmax(0,t):相變溫度（74激光表面淬火特點質(zhì)量優(yōu)勢技術(shù)特質(zhì)適用材料實際應(yīng)用

1．淬火零件不變形

激光淬火的熱循環(huán)過程快

中碳鋼

大型軸類

2．幾乎不破壞表面粗糙度

采用防氧化保護薄涂層

模具鋼

各種模具

3．激光淬火不開裂

精確定量的數(shù)控淬火

冷作模具鋼

模具、刃具

4．對局部、溝、槽淬火

定位精確的數(shù)控淬火

中碳合金鋼

減振器

5．激光淬火清潔、高效

不需要水或油等冷卻介質(zhì)

鑄鐵材料

發(fā)動機汽缸

6．淬火硬度比常規(guī)方法高

淬火層組織細密、強韌性好

高碳合金鋼

大型軋輥激光表面淬火特點質(zhì)量優(yōu)勢技術(shù)特質(zhì)適用材料實際應(yīng)用

175（2）激光相變技術(shù)A,B部分硬化C部分硬化不夠如何提高相變硬化深度、均勻性、效率，減少缺陷？（2）激光相變技術(shù)A,B部分硬化如何提高相變硬化深度、均勻性76工件預(yù)處理方法磷化：工件表面形成一層磷酸錳等磷化薄膜。經(jīng)過鱗化后材料表面吸收率80%以上。黑漆：其主要成分為石墨粉和碳酸鈉或硅酸鉀，采用噴涂法。碳素石墨：小批量的激光相變淬火試驗時，經(jīng)濟又方便。SiO2型涂料國內(nèi)90年代研制了一種以SiO2為骨料的可噴材料。選用200—300目精制石英粉，其中涂料被認為除對激光有較高吸收率外，還能在激光輻射下形成液態(tài)均勻覆蓋于金屬表面，冷卻后形成固態(tài)薄膜。日本佳友公司還開發(fā)出一種Nextel01型涂料，對CO2激光的吸收率可達90—95%，其主要成分也是SiO2。工件預(yù)處理方法磷化：工件表面形成一層磷酸錳等磷化薄膜。經(jīng)過77光束均勻化變換系統(tǒng)振鏡轉(zhuǎn)鏡積分鏡光束均勻化變換系統(tǒng)振鏡78轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)鏡79軋輥激光表面強化軋輥激光表面強化80軋輥激光表面工藝（四）選定工藝參數(shù)軋輥機加工軋輥吊上激光加工機床裝夾（一）軋輥表面清洗軋輥吊離激光加工機床（五）激光表面強化（三）吸光涂層烘干（二）噴涂吸光涂層軋輥激光表面工藝（四）選定工藝參數(shù)軋輥機加工軋輥吊上激光加工81激光熔凝處理激光熔化凝固處理（簡稱激光熔凝處理）是以高功率密度（105～106W/cm2）的激光，在極短的時間內(nèi)（10-2～10-3s）與金屬交互作用，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當高的溫度使之熔化，隨后，借助冷態(tài)金屬基體的吸熱和傳導(dǎo)作用，使得已熔化的表層金屬快速凝固。激光熔凝得到的是細小的鑄態(tài)組織，其硬度較高，耐磨性亦較好。熔凝區(qū)相變硬化區(qū)過渡區(qū)母材相變硬化區(qū)（白亮區(qū)）過渡區(qū)母材（a）熔凝處理（b）相變硬化處理激光熔凝處理激光熔化凝固處理（簡稱激光熔凝處理）是82熔凝區(qū)硬度(HV)切分輪硬度壓痕中心離表面距離(mm)母材相變硬化區(qū)＋過渡區(qū)熔凝區(qū)硬度(HV)切分輪硬度壓痕中心離表面距離(mm)母材相83工藝參數(shù)鑄鋼軋輥(Ф600mm)的激光表面強化處理工藝參數(shù)為：激光功率P=3.5～4.0KW、光斑直徑D=6～6.5mm、掃描速度V=0.83轉(zhuǎn)/分螺距n＝4～5.5mm此工藝參數(shù)所獲得的淬硬層深度約為1mm工藝參數(shù)鑄鋼軋輥(Ф600mm)的激光表面強化處理工藝參84激光相變及應(yīng)用課件85激光相變及應(yīng)用課件86氣缸表面處理工藝氣缸表面處理工藝87（5）激光相變應(yīng)用軋輥激光表面相變硬化瓦楞輥激光表面相變硬化（5）激光相變應(yīng)用軋輥激光表面相變硬化瓦楞輥激光表面相變硬化88大型內(nèi)齒圈-激光淬火減振器內(nèi)槽-激光淬火鑄鋼-大型雙聯(lián)齒輪-激光淬火鑄鐵-發(fā)動機缸孔-激光淬火激光相變應(yīng)用大型內(nèi)齒圈-激光淬火減振器內(nèi)槽-激光淬火鑄鋼-大型雙聯(lián)齒89激光相變應(yīng)用模具錘頭-激光淬火鑄鐵-摩擦輪-激光淬火大型軸承套圈-激光淬火鋼軌激光表面強化激光相變應(yīng)用模具錘頭-激光淬火鑄鐵-摩擦輪-激光淬火大型軸承90

軋輥表面激光熔凝淬火工藝軋輥表面激光熔凝淬火工藝91激光相變及應(yīng)用課件92激光相變及應(yīng)用課件93激光熱處理設(shè)備激光熱處理設(shè)備94激光相變熱處理生產(chǎn)線激光相變熱處理生產(chǎn)線95小結(jié)1、激光相變機理2、激光相變技術(shù)與應(yīng)用重點掌握激光相變作用過程中的熱作用過程和激光相變硬化機制。小結(jié)963.2激光熔覆與合金化

激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加熱的特點，使基材表層金屬和所添加的合金元素熔化混合，在基材表面形成一層具有一定濃度且成分均勻的合金層，從而滿足對工件耐磨、耐蝕、耐高溫抗氧化等特殊性能的要求。

激光熔敷通過在基體材料表面添加熔敷材料，并利用高能密度的激光束使熔敷材料熔化，并與材料表面形成冶金連接在金屬表面形成以熔敷的材料為基體的表面強化層。激光熔敷不是以基體上的熔敷金屬為溶劑加入合金元素，而是用另行配制的合金粉末被激光熔化，成為熔敷層的主體合金，同時基體金屬也有一薄層熔化與熔敷層結(jié)合。3.2激光熔覆與合金化激光表面合金化是利用高97激光熔覆，激光合金化的傳質(zhì)激光熔覆，激光合金化的傳質(zhì)98激光合金化與熔覆材料的供料方式激光合金化與熔覆材料的供料方式99一維修復(fù)技術(shù)光束、送粉頭在一個平面內(nèi)固定不動。側(cè)向送粉，單向運動，重力送粉。用于軋輥、長軸零件修復(fù)，效果顯著。一維修復(fù)技術(shù)光束、送粉頭在一個平面內(nèi)固定不動。側(cè)向送粉，單向100二維修復(fù)技術(shù)光束、粉末流沿光軸方向同軸輸出，工作頭不動，與機床實現(xiàn)二維平面運動。重力送粉。二維修復(fù)技術(shù)光束、粉末流沿光軸方向同軸輸出，工作頭不動，與機101三維修復(fù)技術(shù)三維旋轉(zhuǎn)光頭、三維同軸送粉、三維氣動送粉、三維空間熔敷。三維修復(fù)技術(shù)三維旋轉(zhuǎn)光頭、三維同軸送粉、102（ａ）不同類型同軸送粉工作頭（ｂ）用于激光熔焊的送粉頭（ｃ）高功率激光送粉頭激光熔覆專用同軸送粉頭（ａ）不同類型同軸送粉工作頭（ｂ）用于激光熔（ｃ）高功率激103合金粉末激光合金化和熔覆一般均與合金粉末為引入材料。根據(jù)激光合金化和熔覆的應(yīng)用，對粉末有以下基本要求:

(1)應(yīng)具有所需要的實用性能，例如耐磨，耐蝕，耐高溫，抗氧化等特性性能。

(2)具有良好的固態(tài)流動性，粉末的流動性與粉粒的形狀，粒度，表面形狀及粉末的濕度等因素有關(guān)。

(3)粉末材料的熱漲系數(shù)，導(dǎo)熱性應(yīng)盡可能與工件材料相接近，以減少合金層的殘余應(yīng)力。

(4)具有良好的濕潤性，濕潤性與表面張力有關(guān)，表面張力愈小，濕潤角愈小，液體流動性愈好。合金粉末激光合金化和熔覆一般均與合金粉末為引104常用于激光熔覆或合金化的粉末1.自熔性合金粉末：目前國內(nèi)生產(chǎn)的自熔性合金粉末可分為鎳基，鈷基和鐵基三大類，還有WC性自熔性合金粉末，它是在上述3大類合金中加入一定量的高硬度WC制成的。2.復(fù)合粉末：復(fù)合粉末是一種新型的表面強化工程材料。復(fù)合粉末主要有硬質(zhì)耐磨復(fù)合粉末，如Co/WC,Ni/WC，Co/Cr2C2等；減磨潤滑復(fù)合粉末，如Ni/AL，Ni—Cr/AL，Co—Cr—Al—Y等。陶瓷粉末有Al2O3，ZrO2，Y2O3，MgO，CaO等。金屬陶瓷復(fù)合粉末，如MgO，ZrO2—NiAL和Y2O3—ZrO2—CoCrAlY等。耐磨金屬陶瓷復(fù)合粉末，如Ni/AL，Ni—Cr/AL及NiCrAlY等。常用于激光熔覆或合金化的粉末1.自熔性合金粉末：105激光合金化典型實例鐵系合金的激光合金化蘇聯(lián)A.Bgenokw等采用固體激光進行了工業(yè)純鐵添Mo的激光合金化。用激光脈沖能量9J，脈寬4ns的脈沖釹玻璃激光器。激光功率密度為6×105W/cm2，得到激光合金化深度為450—500um，硬度比工業(yè)純鐵提高1.5倍。L.S.Weiuman等用連續(xù)激光器，采用功率密度107W/cm2對基體為AISI1008鋼進行添Cr合金化，合金層中Cr含量基本均勻。J.Mazumden等采用10KWCO2激光器，功率密度108W/cm2，采用同步送粉法將粉質(zhì)為2μm的Fe+Cr+Ni合金粉末吹入激光作用熔池實現(xiàn)激光合金化。試驗結(jié)果表明，經(jīng)激光表面合金化后的耐腐蝕性能比不銹鋼還強。鄭啟光，王華明等人1996年采用大功率CO2激光器對Ti合金和Al合金進行激光熔池吹N2氣，在高溫下合成TiN和AlN合金層。激光合金化典型實例鐵系合金的激光合金化106鈷基合金的激光熔覆鈷基合金具有很高的高溫性能和綜合機械性能，其中以司太立合金為最多.格蘭姆茲（D.S.Gnamcthu）用司太立1號合金鑄棒放在AISI4815鋼上，鑄棒為M7C3和M6C細粉分布于奧姓體鈷的基體上，直徑為3mm的鋼的基體預(yù)熱至250℃，激光功率為3500W，光斑直徑6.4mm，掃描速度4.2mm.s-