激光表面改性技術(shù)

激光表面改性技術(shù)2011光信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)老師：魯晶學(xué)生：肖馮俊樹(shù)1.什么是激光表面改性技術(shù)？2.激光表面改性技術(shù)有哪些用途？3.激光表面改性的分類（簡(jiǎn)單介紹5種，激光熔覆、激光淬火、激光表面熔凝、激光表面強(qiáng)化、激光表面合金化）、特點(diǎn)及其各自的應(yīng)用。4.激光表面改性的前景和存在問(wèn)題。1.什么是激光表面改性技術(shù)？一般原理激光與材料表面相互作用過(guò)程一般原理

激光表面改性技術(shù)是采用高功率密度的激光器，利用光學(xué)聚焦透鏡將激光束聚焦，從而獲得很高的激光功率密度和溫度。以非接觸的方式，照射到材料表面，使金屬材料表面在瞬間（毫秒甚至微秒級(jí)）被加熱或熔化后，借助于材料表面自身傳導(dǎo)快速冷卻。在激光束與材料表面相互作用的過(guò)程中，通過(guò)熱效應(yīng)及化學(xué)反應(yīng)等方式，改變材料表面的組織結(jié)構(gòu)、物理性能、化學(xué)成分、應(yīng)力狀態(tài)等，從而改善材料表面性能（如耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性和抗疲勞性等）的工藝方法。激光與材料表面相互作用過(guò)程

激光與材料表面的相互作用按激光強(qiáng)度和輻射時(shí)間分為幾個(gè)過(guò)程：1.吸收光能量2.能量傳遞3.冷卻4.

材料表層組織的改變（形成強(qiáng)化薄層）2.激光表面改性技術(shù)有哪些用途？（1）：提高材料表面的耐腐蝕性（抗氧化性）（2）：提高材料表面的耐磨性（3）：提高材料表面的抗疲勞性（4）：改善和修復(fù)損壞的零部件總之：激光表面改性技術(shù)在改善和強(qiáng)化材料表面性能，提高材料的使用壽命方面具有突出的優(yōu)越性。3.激光表面改性技術(shù)的分類激光熔覆、激光淬火、激光表面熔凝、激光表面沖擊強(qiáng)化、激光表面合金化（1）激光熔覆（亦稱為激光包覆，或者激光熔敷）

a原理：通過(guò)在基體材料（基材）表面添加一層熔覆材料，再利用高能密度的激光束對(duì)其表面輻射加熱，使基材表面薄層和熔覆材料發(fā)生熔化，由于材料自身熱傳導(dǎo)作用，被輻射后的材料表面迅速冷卻溫度降低，并快速凝固形成一層與其為冶金結(jié)合的填料熔覆層。b方法：一步法（同步送料法）和預(yù)置法（P5–P6）c優(yōu)點(diǎn)：①涂層與基材集合好，熔覆組織致密。

②降低材料成本，降低能源消耗，節(jié)約貴重稀有金屬。

d用途：材料表面改善和修復(fù)（2）激光淬火（激光相變硬化）a原理：利用聚焦后的激光束，掃描材料表面，使材料表面溫度迅速升高到相變點(diǎn)以上，當(dāng)激光移開(kāi)后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料快速導(dǎo)熱作用使受熱表層快速冷卻到馬氏相變點(diǎn)以下獲得淬硬層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料表面的相變硬化。b優(yōu)點(diǎn)：①不需要淬火介質(zhì)，加熱速度快。

②淬火后工件變形小，適合高精度要求的零件表面處理。c用途：增加材料表面抗疲勞強(qiáng)度（3）激光表面熔凝（激光熔化淬火）a原理：指激光束照射到材料表面，使其表面薄層熔化，在移開(kāi)激光光束后，熔化的表層材料迅速凝固，組織得以細(xì)化，成分偏析減少，缺陷率降低，凝固組織中呈現(xiàn)較高的壓應(yīng)力狀態(tài)，獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織，從而改善和強(qiáng)化材料表面。b優(yōu)點(diǎn)：①一般不添加合金元素。

②熔凝層與材料基體是天然的冶金結(jié)合。

③在熔凝過(guò)程中，可以排除雜質(zhì)和氣體。

④同時(shí)極冷重結(jié)晶獲得的組織具有較高的硬度、耐磨性、抗蝕性c用途：提高材料硬度，耐磨性和抗腐蝕性（4）激光沖擊強(qiáng)化a原理：指利用高能量密度、短脈沖激光掃描材料表面，由于材料吸熱后升華氣化而急速膨脹甚至等離子體化，并引起爆炸波以及在表面產(chǎn)生沖擊波，從而使材料表面強(qiáng)化的技術(shù)。在激光與材料相互作用的過(guò)程中，由于高壓沖擊應(yīng)力波的產(chǎn)生，使材料表面產(chǎn)生塑性變形，形成大量的高密度位錯(cuò)和殘余壓力，從而可大幅度提高材料表面的硬度和抗疲勞性。b優(yōu)點(diǎn)：①可在空氣中進(jìn)行，對(duì)基體材料不產(chǎn)生畸變。

②可沖擊強(qiáng)化精加工工件的曲面（如齒輪、軸承等）c用途：提高材料抗疲勞壽命（5）激光表面合金化a原理：利用高能密度的大功率激光束將基底材料局部區(qū)域表面加熱到一定固態(tài)溫度或形成一層薄的熔區(qū)，通過(guò)擴(kuò)散或添加合金元素或化學(xué)反應(yīng)，改變表面化學(xué)成分以改善材料表面的性能。b優(yōu)點(diǎn)：①可利用氣體或液體材料作為合金元素

②合金化層組織小，結(jié)構(gòu)致密，氣孔率低

③無(wú)需以工件作為電極傳導(dǎo)，粉末材料和基體材料使用面廣

④

熱影響區(qū)小，工件變形小c用途：常用于在磨損、腐蝕、高溫氧化等工作條件下的工件表面強(qiáng)化，以及修復(fù)磨損件。4.激光表面改性的前景和存在問(wèn)題（1）存在問(wèn)題①激光功率不夠大，且輔助設(shè)備待研發(fā)和提高。②處理面積小，對(duì)于大面積、形狀復(fù)雜的工件難以實(shí)現(xiàn)高效率加工。③激光表面處理技術(shù)改性機(jī)理還不完善，溫度場(chǎng)的測(cè)定還不夠精確，激光表面處理加工過(guò)程中的熱應(yīng)力、熱應(yīng)變和加工后的殘留應(yīng)力問(wèn)題沒(méi)有很好理論解釋。④激光表面處理工藝參數(shù)、材料性能以及表面狀況（如吸光率）等處理后表層性能的影響研究不完善。⑤設(shè)備昂貴，一次性投入高。（2）前景①利用激光表面處理技術(shù)，在一些表面性能差和價(jià)格便宜的基體金屬表面獲得合金層，用以取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴金屬和材料，使廉價(jià)材料獲得應(yīng)用，從而大幅度降低成本。②可以用來(lái)研制新材料和代用材料，制造出在性能上與傳統(tǒng)冶金方法根本不同的表面合金，應(yīng)用在太空、高溫和化學(xué)腐蝕環(huán)境條件下的機(jī)械零件上。③為了得到綜合效果更好的表面層，復(fù)合表面改性技術(shù)將是激光表面改性的一個(gè)重要方向。④隨著激光器、機(jī)器人和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，激光表面改性將向著大功率，自動(dòng)化、智能化方向邁進(jìn)。⑤國(guó)外正在進(jìn)行用激光沖擊波來(lái)改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)中緊固件周?chē)谛阅艿膽?yīng)用研究。發(fā)現(xiàn)6.5mm板厚的裂紋擴(kuò)展試件和緊固試件的高頻疲勞壽命，在激光處理后比處理前延長(zhǎng)100倍。⑥激光表面處理技術(shù)無(wú)污染特點(diǎn)，對(duì)環(huán)保幾乎沒(méi)有負(fù)面效應(yīng)，明顯的性能優(yōu)勢(shì)將使激光表