激光表面處理技術(shù)

激光外表處理技術(shù)

激光束外表處理技術(shù)概念激光外表處理技術(shù),是在材料外表形成一定厚度的處理層,可以改善材料外表的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能,從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能的外表處理技術(shù)。激光外表處理技術(shù)產(chǎn)生激光加工技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代,但到20世紀(jì)70年代初研制出大功率激光器之后,激光外表處理技術(shù)才獲得實際的應(yīng)用,并在近十年內(nèi)得到迅速的開展。激光外表處理技術(shù)原理激光是一種相位一致,波長一定,方向性極強(qiáng)的電磁波,激光束由一系列反射鏡和透鏡來控制,可以聚焦成直徑很小的光(直徑只有0.1mm),從而可以獲得極高的功率密度(104~109W/cm2)。激光與金屬之間的互相作用按激光強(qiáng)度和輻射時間分為幾個階段:吸收光束、能量傳遞、金屬組織的改變和激光作用的冷卻等。激光外表處理技術(shù)原理它對材料外表可產(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)的開展,激光技術(shù)進(jìn)入金屬材料外表熱處理和外表合金化技術(shù)領(lǐng)域,并在近幾年得到迅速開展。

由于激光加熱速率極快，相變在很大的過熱度下進(jìn)行，形核率很大。因加熱時間短，碳原子的擴(kuò)散及晶粒的長大受到限制，所以得到的奧氏體晶粒小。冷卻速率也比使用任何淬火劑都快，因而易得到隱針或細(xì)針馬氏體組織。激光外表處理組織低碳鋼可分為兩層：外層是完全淬火區(qū)，組織是隱針馬氏體；內(nèi)層是不完全淬火區(qū)，保存有鐵素體。中碳鋼可分為四層：外層是白亮的隱針馬氏體，硬度HV達(dá)800，比一般淬火硬度高出100以上；第二層是隱針馬氏體加少量屈氏體，硬度稍低；第三層是隱針馬氏體加網(wǎng)狀屈氏體，再加少量鐵素體；第四層是隱針馬氏體和完整的鐵素體網(wǎng)。激光外表處理組織高碳鋼也可分為兩層：外層是隱針馬氏體；內(nèi)層是隱針馬氏體加未溶碳化物。

鑄鐵大致可分為三層：表層是熔化－凝固所得的樹枝狀結(jié)晶，此區(qū)隨掃描速度的增大而減?。坏诙邮请[針馬氏體加少量殘留的石墨及磷共晶組織；第三層是較低溫度下形成的馬氏體。激光外表處理組織激光外表處理技術(shù)優(yōu)點激光外表處理是采用大功率密度的激光束,以非接觸性的方式加熱材料外表,借助于材料外表本身傳導(dǎo)冷卻,來實現(xiàn)其外表改性的工藝方法。它在材料加工中的如下優(yōu)點:激光外表處理技術(shù)優(yōu)點(1)能量傳遞方便，可以對被處理工件外表有選擇的局部強(qiáng)化；(2)能量作用集中，加工時間短，熱影響區(qū)小，激光處理后，工件變形小；激光外表處理技術(shù)優(yōu)點(3)處理外表形狀復(fù)雜的工件，而且容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線；(4)改性效果比普通方法更顯著，速度快，效率高,本錢低；激光外表處理技術(shù)優(yōu)點(5)通常只能處理一些薄板金屬，不適宜處理較厚的板材；(6)由于激光對人眼的傷害性影響工作人員的平安，因此要致力于開展平安設(shè)施。美國正在研究用激光淬火處理飛機(jī)的重載齒輪，以取代滲碳淬火的化學(xué)熱處理工藝。----直升飛機(jī)輔助動力裝置的行星齒輪----飛機(jī)主傳動裝置的傳動齒輪用激光硬化的飛機(jī)重載齒輪，不需要最后研磨，大大降低了生產(chǎn)本錢，提高生產(chǎn)率。----采用激光硬化飛機(jī)發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)壁，比氮化處理快14倍，且所得到的硬化層比經(jīng)過10～20h氮化處理的硬化層還厚，質(zhì)量優(yōu)良，幾乎無變形。激光外表處理技術(shù)6.1激光束外表處理技術(shù)能量轉(zhuǎn)化激光照射到材料外表表層材料受熱升溫激光作用后冷卻激光被吸收變?yōu)闊崮芄虘B(tài)相變/熔化/蒸發(fā)激光束外表處理技術(shù)分類圍繞激光加工的特點,人們相繼研究并開發(fā)出一些具有工業(yè)應(yīng)用前景的激光外表處理技術(shù),大體分為：激光外表硬化、激光外表熔敷、激光外表合金化、激光沖擊硬化和激光非晶化。激光外表淬火

激光淬火又稱為激光相變硬化,是指以高能密度的激光束照射工件外表,使其需要硬化部位瞬間吸收光能并立即轉(zhuǎn)化為熱能,從而使激光作用區(qū)的溫度急劇上升形成奧氏體,經(jīng)隨后的快速冷卻,獲得極細(xì)小馬氏體和其他組織的高硬化層的一種熱處理技術(shù)。激光外表淬火特點

〔1〕材料外表的高速加熱和高速自冷。加熱速度可達(dá)10?~109℃/s,冷卻速度可10?℃/s,這就有利于提高掃描速度及相應(yīng)的生產(chǎn)率。(2)激光淬火處理后的工件外表硬度高,通常比常規(guī)淬火硬度高5%~20%,可獲得極細(xì)的硬化層組織。(3)由于激光加熱速度快,因而熱影響區(qū)小,淬火應(yīng)力及變形小。一股認(rèn)為激光淬火處理幾乎不產(chǎn)生變形,而且相變硬化可以使外表產(chǎn)生大于4000MPa的壓應(yīng)力,有助于提高零件的疲勞強(qiáng)度;但厚度小于5mm的零件其變形仍不可無視。(4)可以對形狀復(fù)雜的零件和不能用其它常規(guī)方法處理的零件進(jìn)行局部硬化處理,如具有溝槽的零件。(5)激光淬火工藝周期短,生產(chǎn)效率高,工藝過程易實現(xiàn)計算機(jī)控制,自功化程度高,可納入生產(chǎn)流水線。(6)激光淬火靠熱量由表及里的傳導(dǎo)自冷,無需冷卻介質(zhì),對環(huán)境無污染。激光外表淬火應(yīng)用激光淬火由于以上優(yōu)點而得到較為廣泛的應(yīng)用。發(fā)動機(jī)缸體外表淬火,可使缸體耐磨性提高3倍以上；熱軋鋼板剪切機(jī)刃口淬火與同等未處理的刃口相比壽命提高了一倍左右；而且激光外表淬火還應(yīng)用在機(jī)床導(dǎo)軌淬火、齒輪齒面淬火、發(fā)動機(jī)曲軸的曲頸和凸輪部位局部淬火以及各種工具刃口激光淬火。美國通用汽車公司自1974年首次將CO2激光器用于激光淬火以來,先后建立了17條激光熱處理生產(chǎn)線,每日可處理零件3萬件。該公司對易磨損的汽車轉(zhuǎn)向器齒輪內(nèi)外表用激光處理出五條耐磨帶,克服了磨損問題,且根本無變形。我國也在積極進(jìn)行激光淬火的研究和應(yīng)用實踐,天津渤海無線電廠采用美國820型1.5kW橫流CO2激光器對硅鋼片模具進(jìn)行外表淬火,大大提高了耐磨性,使用壽命提高了10倍激光外表熔敷激光外表熔敷技術(shù)是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體外表迅速加熱并熔化,光束移開后自激冷卻的一種外表強(qiáng)化方法。激光外表熔敷特點(1)冷卻速度快(高達(dá)106K/s)，組織具有快速凝固的典型特征；(2)熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低(一般小于5%)，與基體呈冶金結(jié)合；(3)粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是低熔點金屬外表熔敷高熔點合金；(4)能進(jìn)行選區(qū)熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價格比；(5)光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷；(6)工藝過程易于實現(xiàn)自動化。激光外表熔敷應(yīng)用進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來,激光熔敷技術(shù)得到了迅速的開展,目前已成為國內(nèi)外激光外表改性研究的熱點。正是由于理論上的支持和實踐的需要,激光熔敷技術(shù)在工業(yè)化上邁出了巨大的一步,其應(yīng)用領(lǐng)域非常寬,它可以用于機(jī)械制造與維修、汽車制造、紡織機(jī)械、航海與航天和石油化工等領(lǐng)域。在刀具、模具、閥體上熔敷陶瓷層已獲得廣泛的應(yīng)用。激光外表合金化激光外表合金化是在高能量激光束的照射下,使基體材料外表一薄層與根據(jù)需要參加的合金元素同時快速熔化、混合,形成10~1000μm厚的外表熔化層,熔化層在凝固時獲得的冷卻速度可達(dá)10?~10?℃/s,相當(dāng)于急冷淬火技術(shù)所能到達(dá)的冷卻速度,又由于熔化層液體內(nèi)存在著擴(kuò)散作用和外表張力效應(yīng)等物理現(xiàn)象,使材料外表僅在很短時間(50μs~2ms)內(nèi)就形成了具有要求深度和化學(xué)成分的外表合金層。區(qū)域合金化有效利用能量精確控制密度和深度不規(guī)那么零件合金激光外表處理技術(shù)激光外表合金化：利用激光束使合金涂層與基體金屬外表混合熔化，在很短的時間內(nèi)，形成不同化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的外表合金?？色@得理想合金或亞穩(wěn)態(tài)合金。處理的新方法，特別適用于工件的重要部位的處理，這樣既改善了工件的使用壽命，又可簡化工藝和節(jié)約昂貴的整體合金。激光外表合金化的根本目的也是為了提高外表的耐磨、耐蝕性等性能。〔1〕鐵基系在某些情況下，鋼中參加Cr，Ni，Mo等貴重元素不是為了提高整體強(qiáng)度，而是為了防止環(huán)境對外表的損傷，此時采用外表合金化可使本錢大大降低。例如，用70%Cr－30%Ni的金屬粉末對一般碳鋼進(jìn)行激光外表合金化，外表可獲得29%Cr-13%Ni的合金，該合金在1mol/LH2SO4中的極化曲線與18-8不銹鋼的極化曲線相似，有幾乎一樣的鈍化能力，即具有相同的耐蝕性。激光外表處理技術(shù)〔2〕有色金屬系在鋁合金中參加合金元素的激光外表合金化有大量的研究。例如以Si合金化可到達(dá)的硬度是200HV，以Cu合金化可達(dá)300HV，以Fe合金化可達(dá)300～500HV，激光外表處理工藝〔3〕金屬硅化物激光外表合金化另外一個應(yīng)用領(lǐng)域是制作硅上面的金屬觸點。1978年P(guān)oate等人用雙頻激光輻照，把Pt，Pd和Ni膜合金化到Si中，試樣外表被熔化并在橫向產(chǎn)生非常均勻的合金層，其平均成分可通過改變膜厚和激光功率在一定的范圍內(nèi)變化。用連續(xù)波激光加熱固體有可能形成單相硅化物。激光外表處理技術(shù)合金化層與及基體間冶金結(jié)合激光外表合金化工藝的最大特點是僅在熔化區(qū)和很小的影響區(qū)內(nèi)發(fā)生成分、組織和性能的變化,對基體的熱效應(yīng)可減少到最低限度,引起的變形也極小。它既可滿足外表的使用需要,同時又不犧牲結(jié)構(gòu)的整體特性。它的另一顯著特點是所用的激光功率密度很(105W/cm2)。熔化深度由激光功率和照射時間來控制。在基體金屬外表可形成0.01~2mm厚的合金層。由于冷卻速度高,使偏析最小,并顯著細(xì)化晶粒。激光外表合金化應(yīng)用我國的激光合金化工作,有兩項值得注意的進(jìn)展。一項為哪一項清華大學(xué)把激光合金化技術(shù)應(yīng)用到實際產(chǎn)品上；另一項為哪一項北京航空航天大學(xué)采用激光合金化工藝來強(qiáng)化新型高溫結(jié)構(gòu)材料-TiAl金屬間化合物,提高其耐磨性。清華大學(xué)結(jié)合沙漠車用F8L413F八缸風(fēng)冷柴油機(jī)研制陶瓷挺柱的科技攻關(guān),在45鋼凸輪軸上成功地實現(xiàn)一種激光熔凝和激光合金化復(fù)合的外表強(qiáng)化新工藝。采用自行研制的TH22型共晶合金化涂料,在凸輪的桃尖局部進(jìn)行激光合金化處理,使其硬度到達(dá)60~67HRC,合金化層1.3~1.5mm;凸輪的其它局部進(jìn)行激光快速熔凝處理,獲得的硬度55HRC,硬化層深0.1~1.0mm。凸輪強(qiáng)化外表平整均勻,無氣孔和裂紋,實現(xiàn)了合理連續(xù)的組織與硬度搭配,凸輪軸處理后無需校直。發(fā)動機(jī)經(jīng)500h臺階試驗和沙漠車上5個月使用考核,說明激光強(qiáng)化的凸輪具有優(yōu)異的耐磨性和抗疲勞性能。激光沖擊硬化當(dāng)短脈沖(幾十納秒)頂峰值功率密度(>10W/cm2)的激光輻射金屬靶材時，金屬外表吸收層吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫(>10000K)、高壓(>1GPa)的等離子體，該等離子體受到約束層的約束時產(chǎn)生高強(qiáng)度壓力沖擊波,作用于金屬外表并向內(nèi)部傳播。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過被處理材料動態(tài)屈服強(qiáng)度時,材料表層就產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力。這種新型的外表強(qiáng)化技術(shù)就是激光沖擊處理，由于其強(qiáng)化原理類似噴丸，因此也稱作激光噴丸。激光沖擊處理特點激光沖擊處理具有應(yīng)變影響層深,，沖擊區(qū)域和壓力可控,對外表粗糙度影響小，易于自動化等特點。與噴丸相比，激光沖擊處理獲得的剩余壓應(yīng)力層可達(dá)1mm,是噴丸的2~5倍。而擠壓、撞擊強(qiáng)化等強(qiáng)化技術(shù)只能對平面或規(guī)那么回轉(zhuǎn)面進(jìn)行。另外，激光沖擊處理能很好地保持強(qiáng)化位置的外表粗糙度和尺寸精度。激光沖擊硬化應(yīng)用激光沖擊處理(LSP)能有效地強(qiáng)化鋼、鋁、鈦、鎳等金屬材料,特別是2024T3鋁合金經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后,，疲勞壽命提高4倍。近年來,我國對激光沖擊強(qiáng)化的微觀機(jī)理、強(qiáng)化效果的無損檢測及激光沖擊處理對金屬性能的影響及工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了研究。江蘇理工大學(xué)及南京大學(xué)對2024T62鋁合金進(jìn)行激光沖擊處理,激光沖擊區(qū)的硬度提高42%,在95%置信度下,LSP試件的中值疲勞壽命是未激光沖擊試樣的5.4~14.5倍。江蘇理工大學(xué)也對常用的45鋼進(jìn)行激光沖擊處理，LSP區(qū)硬度提高32%,LSP試件的中值疲勞壽命是未沖擊試件的1.11~2.133倍(置信度95%)。由于激光沖擊的應(yīng)力波持續(xù)時間極短(微秒),特別是有效處理成品零件上具有應(yīng)力集中的局部區(qū)域,例如提高成品零件上拐角、孔、槽等局部區(qū)域的疲勞壽命,所以LSP技術(shù)的工程應(yīng)用前景較好。激光非晶化激光非晶化是利用激光熔池所具有的超高速冷卻條件使某些成分的合金外表形成具有特殊性能的非晶層。與其它非晶化方法比較,激光非晶化可望在工件外表大面積地形成非晶層,而且形成非晶的成分也可擴(kuò)大。激光非晶化應(yīng)用20世紀(jì)70年代末隨高功率連續(xù)CO2激光器的商品化,人們開發(fā)了連續(xù)激光非晶化的研究,以實現(xiàn)高覆蓋率和較大面積的非晶層。該項技術(shù)通常用高功率CO2激光器(1~20kW),由于要求聚光斑功率密度高106W/cm2,激光束的質(zhì)量要求相應(yīng)提高。如陳蘭英等[18]對棉紡機(jī)零件(45鋼碳-氮共滲后回火處理)進(jìn)行了非晶化處理;鐘敏霖等對FeCSiB共晶合金層用連續(xù)CO2激光器處理,采用“激光合金化+激光預(yù)處理+激光快速熔凝〞的方法,獲得了大塊的非晶。激光外表改性的研究方向激光外表淬火激光外表熔敷激光外表合金化激光沖擊硬化激光非晶化激光外表淬火激光外表淬火的工藝參數(shù)還不完善,不同材料的淬火參數(shù)不同,還需要大量試驗來總結(jié)、分析,制定合理的工藝參數(shù);激光外表淬火的數(shù)值模擬還處在探索階段,對相變后的組織分布,材料性能對溫度場的相互影響卻很