激光表面强化技术

1、激光表面强化技术论文专业：机械制造及其自动化课程：表面处理技术概论学号:姓名:老师:2016年11月20日目录一、摘要二、简介三、激光的简要概述四、激光机工技术的特点五、四种激光表面强化技术1、激光表面合金化2、激光表面冲击硬化3、激光表面熔覆4.激光表面熔凝六、激光加工技术发展趋势1、激光产业整体布局2、激光产业重点单位3、激光器技术的发展七、结束语八、参考文献激光表面强化技术一、摘要疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起的工程构件的失效大多发生在表面，这一现象促使材料科学工作者对材料表面的极大关注，并促使材料表面强化技术的迅猛发展。人们希望在材料整体保持足够的韧性和强度的同时，使材料表面获得较高的、特

2、定的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等。激光由于其优异的性能，越来越被广泛地应用到军事、通信、医学和工业等领域。激光技术在材料科学中的应用使得材料学科无论在理论还是在工艺方面均获得重要的进展。激光的引人，使得材料工作者可以根据应用背景来进行更广泛意义上的材料设计；激光的引人，也使得材料加工工艺前进了一大步。同时，激光的引人又不断地给材料工作者提出新问题。激光表面强化技术包括激光表面淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆和激光表面合金化等。其中，激光表面合金化和激光熔覆是通过改变表面成分和组织来实现强化目的。利用高功率激光表面强化的好处在于节约具有战略价值和昂贵的合金素形成非平衡相和非晶态晶粒细化、微观

3、结构均匀化、提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析等。激光表面强化技术已有20多年的历史，各方面已取得长足的进展，如激光表面淬火技术在汽车缸套的表面强化方面取得显著的效益。但是目前激光表面强化技术的推广并未达到人们所期望的效果。其原因是多方面的，如设备投资较高，激光强化工艺的不稳定移植性差，在激光表面合金化和激光熔覆中还常常出现裂纹等问题。这有待于材料科学工作者更进一步深入研究激光表面强化的基础理论和应用技术。二、简介激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电

4、子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。激光表面强化是利用高能激光束和材料表面之间的交互作用，改变材料表面组织结构、物理性能和化学成分、应力状态等，从而改善寿命材料的表面性能（耐磨、耐蚀、抗氧化和抗疲劳等），提高关键零部件的使用与扩大材料用途的技术。具体而言，激光表面强化技术包括激光表面硬化（激光淬火）、激光表面合金化、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光表面冲击强化等。三、激光激光是在发射过程中受激而加强的光，这种光受激而发射的光子具有同方向、同频率、同相位、同偏振的特性，因而被称为“激光”。激光产生的基本

5、原理。激光是受激辐射而产生的增强光，激光器是受激辐射的光放大器。在原子发光过程中，同时存在光的自发辐射、受激吸收与受激辐射过程。其中，受激辐射与自发辐射有本质的区别。光的受激辐射是指处能及巳段光子图9-i光的受激福射过程；光子的原子，在能量为e12的光子引诱下，射出一个与入射光一模一样的光子，跃迁到能及Ei上。受激发射光的频率、相位、偏振方向和传播方向等均与入射光子相同，光的受激辐射如右图所示。因此，在外界泵浦工作期间，激光工作物质中的一对能及Ei和E2,若实现了粒子数反转，则在粒子发光过程中，受激射有可能占有主导地位，聚集在E2上的大量原子就会产生受激发射过程，且通过受激发射的能量ei2的光

6、子在激光棒内的传播，光强会越来越强。但是在外界光泵浦（如疝气、氨气或辉光发电等）作用心爱输出激光束，还需要在激光棒两端加一对由平面镜或球面镜组成的光学谐振腔。光沿激光棒的轴线方向来回振荡，从而得到放大，当这种光放大超过腔内损耗（包括散射、衍射等），激光放大超过腔内阈值时，就会在激光腔的输出端产生激光辐射一一激光束。国内对激光的研究起步岁晚，但发展十分迅速，确实值得我们骄傲。在与梅曼宣称发明了世界上第一台红宝石激光器相隔不到一年的时间里，王之江就在中国科学院长春光机所研制成功了我国首台固体红宝石激光器，邓锡铭在1963年7月研制成功了我国首台氨式气体激光器。此后，国内外开始大力发展高功率CQ激光

7、器。随后激光器的发展非常迅速，激光器的功率也在不断提高，目前已达到万瓦以上级。正是由于高功率激光器的研制成功，为激光材料加工技术特别是激光表面强化技术应用的兴起和迅速发展创造了必不可少的前提条件。因此，激光材料技工技术由较简单的激光打孔、激光切割刀激光表面性新技术的研究和应用，从而出现了诸如激光相变强化、激光表面合金化、激光表面熔凝、激光表面熔覆与激光化学气相沉积等一系列新技术，使得激光材料加工出现了质的飞跃。激光的特性：(1)高单色性普通光源发出的光均包含较宽的波长范围，即谱线宽度宽。(2)高相干性相干性主要描述光波各部分的相位关系。其中，空间相干性描述垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位

8、关系。相干性完全是由光波场本身的空间分布(发射角)特征和频谱分布特性(单色性)决定的。因此，激光束叠加在一起，其幅度是稳定的，在相当长的时间内，可保持光波前后的相位关系不变，这是其他任何光源无法达到的。(3)高方向性激光束的高方向性主要是指其光束的发射角小(4)高亮度所谓亮度，光学上给出的定义是，光源在单位面积上某一方向的单位立体角度内发射的光功率。四、激光加工技术的特点正是由于激光束的四大特性，使得激光加工技术具有传统加工技术无法比拟的优势。(1)由于它是无接触加工，并且激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。(2)它可以对多种金属、非金属进行加工，特别是可以加工高硬度、

9、高脆性及高熔点的材料。(3)激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。(4)激光加工过程中，激光束的能量密度高，可以对局部进行加工，对非激光照射区域没有影响或影响极小。因此，激光加工的热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。(5)激光束易于导向与聚集以及实现作各方向的变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法。(6)生产效益高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。尽管激光加工技术具有许多独特的优点，但是不足之处也是明显的。例如,目前激光加工技术成套设备价格还比较贵，所以激光还属于一种昂贵的能源。因此，只有在那些最能发挥其特点或其他方法不能或难以

10、加工的情况下采用激光加工技术的方法最为合适。但是，随着高功率激光器及其辅助设备成本的降低，采用激光加工技术必将在工业领域得到广泛应用。五、四种激光表面强化技术1、激光表面合金化许多铁合金等较难熔材料在接触激光功率密度达106W/mm的受热表面时，足以达到107109K/S的加热速度会发生熔化，其中的各种元素扩散进入零件液态金属的薄层内7。当冷却凝固时将形成固溶体和化合物夕表面发生合金化.最近有些国家对利用含Cr,Ni和Mo的铁基合金进行激光表面合金化的工艺产生极大兴趣，这种方法既可改变金属性能，又可节约材料、降低成本，可用普通碳钢等廉价材料获得表面耐磨、防蚀和抗高温氧化性很高的零件。用预置石墨

11、粉习通过熔化或熔化后再进行渗碳形成碳化物的表面合金化可明显地提高表面硬度。阻碍激光表面合金化广泛应用的障碍，除设备投资大、成本高外，就是在材料处理过程中表面易产生气孔、裂纹以及表面平整度的下降.针对后者，研究者根据具体情况加强研究，已经摸索出一些可行的办法8。Ion用实验证明，激光表面合金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的办法。他使用的激光器功率为6kw,合金元素为铭，激光合金化层的厚度为0.5mm9,使耐腐蚀性大大提高。Mazulnde等用激光使1016低碳钢表面以铭、钮、碳合金化。结果证实，用激光加工过的材料在销一柱磨损试验中表现出比Stelhte6合金10还要好的耐磨性。作者认为，耐磨

12、性的提高归因于树枝状组织和铭的碳化物，且枝晶越细，耐磨性越好.较低的激光功率和较高的激光一工件相对移动速率可以得到较高耐磨性的合金层。2、激光表面冲击硬化激光冲击硬化是前苏联学者在70年代初提出的。利用极高功率密度（大于10sw/cm,）激光束冲击（作用时间为1085数量级甚至更短）工件表面11,使表层几微米的薄层迅速被加热汽化。在极短的时间内，金属蒸气由于受到外部介质的限制而在冲击区形成超高压冲击波（最大10GP*右）。随着冲击波向基体内的传递，会在表层产生压应力区，并出现某些微观特性的改变，从而改善了金属的机械性能。Chan使用名义功率为10GW/cm2脉冲时间为2040ns的脉冲Q开关的

13、YAG光器使铸铁、7075和7475铝合金冲击硬化，冲击振幅为5.6GPa.两种铝合金的疲劳寿命均得到提高.其原因是表面存在残余压应力。文献12作者认为，为了得到表面残余压应力，应对热应力的作用和冲击波的作用加以区分。试验说明，使用吸收涂层后可以得到表面残余压应力.由于只有冲击波透人材料，该区域受张力变形，但受周围材料的约束，被约束的区域就是一个压应力区。如果热量进入该区域，膨胀将会导致变形，在冷却时将会产生张应力。激光冲击硬化可以得到与喷丸相近的残余应力水平，但表面损伤更小，且能得到更大的透入深度。3、激光表面熔覆激光熔覆也称激光包覆，是利用一定功率密度的激光束照射（扫描）被覆金属表层上的外

14、加纯金属或合金13,使之完全熔化，而基材金属表层微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层，从而使基材强化的工艺.激光熔覆的熔化主要发生在外加的纯金属或合金中，基材表层微熔的目的是使之与外加金属达封冶金结合，以增强包覆层与基材的结合力，并防止基材元素与包覆元素相互扩散而改变包覆层的成分和性能13。激光熔覆工艺主要有两种：一种是预置涂层法，是用电镀、真空蒸镀、等离子喷涂、火焰喷涂、粘结等方法将要熔覆的金属粉末事先涂覆在基材表面，然后用激光重熔，这种方法可称为激光涂覆；另一种是同步送料法，即在激光照射过程中，将粉末或条、丝状纯金属或合金连续送入熔池内，其中用气体将粉末以一定角度吹入熔池的方法称

15、为激光喷涂。激光熔覆与合金化类似。可根据要求在表面性能差的低成本钢上制成耐磨、耐蚀、耐热、耐冲击等各种高性能表面，来代替昂贵的整体高级合金，以节约贵重金属材料。包覆层组织细小，一般无气孔和空穴。将硬质TIC颗粒覆于高速钢表面，通过激光包覆处理得到TIC熔化层，然后进行快速淬火。这样获得的表面包覆有极高硬度HV2100-2700,最高可达HV310014。高速钢激光包覆的寿命为普通热处理钢的8.4倍15,最高达11.2倍。可以预料，这种处理方法将广泛用于加工难切削材料的刀具。较常采用的激光包覆与基体的组合形式有如下儿种上：不锈钢一软钢；不锈钢-铝；软钢一不锈钢，硬质合金一软钢；硬质合金一黄铜；铁

16、硼一软钢；锲一软钢；铭一钦。除以上所述外，激光包覆工艺还具有以下独到的优点：可控制稀释度，减少局部加热时的热变形，精确控制零件外形尺寸，可获得良好热结合性和精细淬火组织。4、激光表面熔凝激光熔凝是利用高功率密度的激光在极短的时间内与金属交互作用，将金属表面局部区域瞬时加热到相当高的温度并使之熔化，随后借助于冷态的金属基体吸热和传热过程使熔化的金属表层快速凝固，从而改变零件表层组织和性能。由于这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到的硬化层组织较细，硬度也高于常规淬火的硬度。这种技术提高了金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性及强度和高温性能等。在真空条件下，高亚丽等对AZ91HPB合

17、金进行了激光熔凝处理。结果发现镁合金激光熔凝层主要是由a3/Mg相和B-Mg17Al12相所构成。随着激光扫描速度的增加，熔凝层硬度、耐磨性也随之增加。但在不同扫描速度下，激光熔凝层耐蚀性较基体镁合金有所降低，且随着扫描速度的降低，熔凝层耐蚀性下降幅度增大。AKousomichalis、曾爱平等用KrF激光在真空条件下照射打磨过的AZ31B4H试样表面。发现试样表面显微形貌为波纹状，并且激光处理后表面与没有处理的试样相比呈张应力。激光处理层30仙m显微硬度比基体的低，激光处理过的试样耐蚀性有较大的提高。采用Nd:YAG敷光器,DDubeXtAZ91D?口AM06BW种镁合金进行了激光熔凝处理，

18、其微观结构呈树枝状，晶粒得到细化，虽然经过激光热处理的AM60B镁合金的腐蚀性能高于AZ91D但并没有获得显著的提高。甚至在某些工艺参数下会显著降低耐腐蚀性能。Yaojun等在AZ91D镁合金表面进行激光熔凝，熔凝层形成的微观组织结构较均匀，相应地提高了激光熔凝层的耐磨性。利用2kW连续波的CO2敷光器,G.Abas等对A3Z幺AZ61和WE43#合金表面进行激光熔凝，熔凝试样在20c下被浸没在pH值为10.5的氯化钠（质量分数为5%）容液中10d,结果显示经过激光熔凝后的镁合金的耐蚀性得到了提高，细化了合金的微观结构，增加了合金元素在。相固溶体中的浓度，使B相分布得更均匀，形成了1层耐蚀层。

19、六、激光加工技术发展趋势1 .激光产业整体格局国内激光企业主要分布在湖北、北京、江苏、上海及深圳等地，已基本形成以上述省市为主体的华中、环渤海、长三角、珠三角四大激光产业基地，其中有一定规模的企业约300家。2014年我国激光产业链产值约为800亿元。主要包括：激光加工装备产业达到350亿元（其中，用于切割、打标和焊接的高功率激光设备占据了67%勺市场份额）；激光加工在重工业、电子工业、轻工业、军用、医疗等行业的应用达到450亿元。预计在今后三年，我国激光产业平均行业复合成长率将不低于20%我国激光加工产业可以分为四个比较大产业带，珠江三角洲、长江三角洲、华中地区和环渤海地区。这四个产业带侧重

20、点不同，珠三角以中小功率激光加工机为主，长三角以大功率激光切割焊接设备为主，环渤海以大功率激光熔覆和全固态激光为主，以武汉为首的华中地区则覆盖了大、中、小激光加工设备。这四大产业带中，以华中地区尤其是武汉最具代表性，中国“光谷”的称号便是有力的证明。武汉地区可以说见证了中国激光加工产业从无到有、从弱到强的整个历程，是中国激光产业发展的缩影。2 .激光产业重点单位激光技术在我国经过40多年发展，有了较为雄厚的技术基础，锻炼培养了一支素质较高的队伍。以中科院四大光机所及各部委所属研究机构和一批大学为代表，形成了我国激光器系统技术研究开发的重要力量，如华中科技大学、清华大学、北京工业大学等16个科研

21、院所。在部分激光器研究开发的核心技术上，形成了5个国家级的激光技术研究中心，10多个研究机构。我国激光产业骨干企业有：武汉一一华工激光、楚天激光、团结激光、金运激光、锐科激光；深圳一一大族激光、光韵达激光、光大激光、联赢激光；北京我一大恒激光、11；华东一一上海团结普林玛、南京东方等。我国激光行业的八大激光上市公司分别为华工科技、大族激光、金运激光、光韵达、福晶科技、新松机器人、利达光电及上海新南洋。3 .激光器技术发展继传统的气体、固体激光器之后，光纤激光器、半导体激光器、碟片激光器等新型激光器发展迅速。总体而言，全球激光技术的主要趋势是向高功率、高光束质量、高可靠性、高智能化和低成本方向发展。高功率射频板条CO2敷光器、轴快流CO2敷光器、千瓦内低成本大功率YAO光器、碟片固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、全固化可见光及倍频紫外激光器，皮秒、飞秒激光器。(1)高功率工业光纤激光器高功率光纤激光器是第三代固体激光器。在激光加工领域，光纤激光器有逐步替代传统YAG部分CO2敷光器的趋势。目前商用光纤激光器输出功率连续功率已上升到数千瓦，以至50kW重点研发实用型14kW光纤激光器,攻克10kW光纤激光器产业化技术。高功率光纤激光器用大芯径掺镜光纤，为高功率光纤激光器及其核心光纤器件提供配套。10kW高功率工业光纤激光器工程化和产品化，以