激光表面改性技术

1、BEIHANG UNIVERSITY激光表面改性技术激光表面改性技术北京航空航天大学材料科学与工程学院BEIHANG UNIVERSITY激光的概念及其特性激光技术的发展历史 激光激光是一种相位一致，波长一定，方向性极强的是一种相位一致，波长一定，方向性极强的电磁波电磁波激光束由一系激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小聚焦成直径很小的光的光(直径只有直径只有01 mm)，从，从而可以获得极而可以获得极高的功率密度高的功率密度(104-109w/cm2)。激光与金属之间的互相作用按。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量

2、传递、金属组织的改激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。随变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。随着大功率激光器出现，以及激光束调制、瞄准等技术的发展激光技术进着大功率激光器出现，以及激光束调制、瞄准等技术的发展激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发展入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发展。 激光加工技术的研究始于激光加工技术的研究始于20世纪世纪60年代。但到年代。但到20世纪世纪70年代初研制出年代初研制出大功率激光器之

3、后，激光表面处理技术才获得实际的应用。大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用。1973年，美国年，美国BEIHANG UNIVERSITY激光表面改性技术及其优点激光表面改性技术及其优点 激光表面处理激光表面处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，以非接触性非接触性的方式加热材的方式加热材料表面，料表面，在材料表面形成一定厚度的处理层，在材料表面形成一定厚度的处理层，借助于材料表面本身传导借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方，冷却，来实现其表面改性的工艺方，可以改善材料表面的力学性能、冶可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件的

4、耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能金性能、物理性能，从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能以满足各种不同的使用要求。激光表面改性技术广泛应用于航空、航天以满足各种不同的使用要求。激光表面改性技术广泛应用于航空、航天、机械、电器、兵器和汽车制造行业。、机械、电器、兵器和汽车制造行业。AVCO公司提出了金属表面激光热处理的设想；公司提出了金属表面激光热处理的设想；1974年申请了世界上第一年申请了世界上第一个激光熔覆专利，并在近十年内得到迅速发展。个激光熔覆专利，并在近十年内得到迅速发展。 BEIHANG UNIVERSITY激光表面改性技术优点(1)能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局

5、部强化：能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化：(2)能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小；能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小；(3)处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线：处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线：(4)改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低；改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低；(5)通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材；通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材；(6)由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力于发展安全由于激光对人眼的伤害性影响工

6、作人员的安全，因此要致力于发展安全设施。设施。BEIHANG UNIVERSITY激光表面 改性技术的分类 激光表面改性技术的分类方法很多，通常可以根据其是否改变基材成分激光表面改性技术的分类方法很多，通常可以根据其是否改变基材成分分成两大类：分成两大类：激光表面改性技术激光表面改性技术不改变基材成分不改变基材成分改变基材成分改变基材成分激光淬火激光淬火(激光相变硬化激光相变硬化)激光极化激光极化激光熔凝淬火激光熔凝淬火激光冲击硬化激光冲击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组织细化激光组织细化激光物理气象沉积激光物理气象沉积激光增强电镀激光增强电镀激光化学气相沉积激光

7、化学气相沉积激光退火激光退火激光非晶化激光非晶化激光诱导液相沉积激光诱导液相沉积BEIHANG UNIVERSITY激光淬火技术 激光淬火又称激光相变硬化，就是利用激光将金属材料加热到相变点以上，激光淬火又称激光相变硬化，就是利用激光将金属材料加热到相变点以上，金属熔化以前，依靠金属金属熔化以前，依靠金属自身冷却自身冷却达到淬火的目的。达到淬火的目的。激光相变硬化的实质是激光相变硬化的实质是马氏体相变硬化。马氏体相变硬化。马氏体和亚结构晶粒都被超细化，相变硬化后残余奥氏体马氏体和亚结构晶粒都被超细化，相变硬化后残余奥氏体也被显著强化。与常规热处理淬火相比较，激光相变后材料也被显著强化。与常规热

8、处理淬火相比较，激光相变后材料硬度要提高硬度要提高，低，低碳钢也能提高一定的硬度。碳钢也能提高一定的硬度。优点（1）工件表面强度高，比常规淬火高）工件表面强度高，比常规淬火高5%-20% （2）加热速度快，热影响区小，淬火应力及变形小）加热速度快，热影响区小，淬火应力及变形小（3）可对形状复杂的零件盒不能用其他方法处理的零件进行局部硬化）可对形状复杂的零件盒不能用其他方法处理的零件进行局部硬化（4）工艺周期短，生产效率高，易实现自动化）工艺周期短，生产效率高，易实现自动化（5）激光淬火靠热量由表及里的传导自冷，无需冷介质，对环境污染小）激光淬火靠热量由表及里的传导自冷，无需冷介质，对环境污染小

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，将材料表面层熔化，激光表面熔凝是采用高能量密度的激光，将材料表面层熔化，然后依靠材料然后依靠材料自身快速冷却凝固自身快速冷却凝固。利用激光表面熔凝技术实现材。利用激光表面熔凝技术实现材料表面料表面局部的快速加热和冷却局部的快速加热和冷却，从而获得非常细密的非平衡快速，从而获得非常细密的非平衡快速凝固组织。在较大的程度上增强了材料表层的耐磨性和耐蚀性，凝固组织。在较大的程度上增强了材料表层的耐磨性和耐蚀性，使材料性能得到改善。使材料性能得到改善。优点（1 1）表面熔化时可添加超硬耐磨金属元素或化学元素，熔凝）表

10、面熔化时可添加超硬耐磨金属元素或化学元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。层与材料基体形成冶金结合。 （2 2）熔凝过程中，可以排除杂质和气体。）熔凝过程中，可以排除杂质和气体。（3）其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，有时可不再进行后续磨光而直接使用。不大，有时可不再进行后续磨光而直接使用。（4）提高溶质原子在基体中固溶度极限。提高溶质原子在基体中固溶度极限。BEIHANG UNIVERSITY激光冲击硬化 利用高能密度激光束照射金属材料表面，由于金属升华气化而急速利用高能密度激光束照射金属材料表面，由于金属升华气化而急速膨胀，

11、产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波，从而提高了金膨胀，产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波，从而提高了金属材料的物理机械性能。属材料的物理机械性能。激光冲击硬化原理示意图激光冲击硬化原理示意图BEIHANG UNIVERSITY优点（1）激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能。）激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能。（2）大大提高材料的强度和硬度。这项新技术最显著的特点）大大提高材料的强度和硬度。这项新技术最显著的特点（3）最大的优点最大的优点在于明显改善材料的抗疲劳性能。在于明显改善材料的抗疲劳性能。（由于激光冲（由于激光冲击强化后使材料产生的变形很小，不产生热影

12、响区，也不改变材料的表面粗糙度，非常击强化后使材料产生的变形很小，不产生热影响区，也不改变材料的表面粗糙度，非常适合于微孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。）适合于微孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。）BEIHANG UNIVERSITY激光表面合金化 利用高能量的激光束使根据需求加入的合金层涂层与基利用高能量的激光束使根据需求加入的合金层涂层与基体金属表面混合熔化，在极短的时间内，形成不同化学成分体金属表面混合熔化，在极短的时间内，形成不同化学成分和结构表面的合金层。和结构表面的合金层。激光表面合金化原理示意图激光表面合金化原理示意图BEIHANG UNIVERSITY优点（1）发

13、生成分、组织和性能变化的熔化区及热影响区都很小。）发生成分、组织和性能变化的熔化区及热影响区都很小。（2）合金元素完全溶解于表层内，获得的改性层成分很均匀。）合金元素完全溶解于表层内，获得的改性层成分很均匀。（3）激光表面合金化与激光熔覆有许多相似之处，但激光熔覆后，）激光表面合金化与激光熔覆有许多相似之处，但激光熔覆后，体成分基本上不进入涂层中，而激光表面合金化形成的表面层体成分基本上不进入涂层中，而激光表面合金化形成的表面层是合金涂层与基体共同形成的混合层。是合金涂层与基体共同形成的混合层。 BEIHANG UNIVERSITY激光表面熔覆 激光熔覆是采用大功率激光束扫描金属表面，将选定的材料熔激光熔覆是采用大功率激光束扫描金属表面，将选定的材料熔化到金属表面，形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀等特性的涂化到金属表面，形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀等特性的涂覆层。覆层。激光熔覆技术示意图激光熔覆技术示意图1.短型光束或高斯型光束短型光束或高斯型光束 2. 气动送粉气动送粉 3. 测量孔测量孔 4. 振动器振动器5. 粉末漏斗箱粉末漏斗箱 6.CO2 气体激光束高频振动气体激光束高频振动 7. 样品运动（样品运动（25.476.2cm/min） 8. 样