激光表面处理技术及其进展

1、.：.；激光外表外表处置技术及进展许彦明 指点教师：宋世涛河北科技师范学院 理化学院 化学班摘要：激光具有宏大的技术潜力，在冶金和资料加工中开展迅速，运用广泛。激光外表处置由于其对工业和消费作出了宏大奉献，已成为飞速生长的重要加工技术领域。本文较系统地引见了国内外激光外表处置技术的研讨与运用近况，指出了这项技术今后需处理的问题。关键字：激光；外表处置；进展 前言 激光的出现时近代物理学的一个艰苦进展。第一台激光器于年代初问世，对激光外表热处置工艺的研讨早在激光器诞生后不久就曾经开场，但直到年代末、年代初才在热处置消费中获得运用。激光在金属热处置方面获得胜利，标志此技术的运用进人了新灼阶段。随着

2、大功率激光器的研制胜利与不断完善，这一新工艺用于汽车转向器外表处置的消费线。国内经过“六五方案的结合攻关，已在汽缸套等零部件的外表热处置上获得胜利，获得了一批科研成果。随之而开展的外表涂覆(cladding)，外表上釉(Glazing)及外表合金化(SurfaeeAlloing)等工艺也获得了相当大的进展。与上述工艺相比较，激光外表热处置是当前比较成熟、运用比较广泛的工艺。 激光外表处置技术的特点 )经过选择激光波长调理激光功率等手段，能灵敏地对复杂外形工件或工件部分部位实施非接触性急热、急冷。该技术易控制处置范围，热影响区小，工件产生的剩余应力及变形很小。)可在大气、真空及各种气氛中处置，制

3、约条件少，且不呵斥化学污染。)通常，激光外表处置的改性效果比普通处置方法更显著)激光束能量集中，密度大，速度快，效率高，本钱低。)可缩短工艺流程，处置过程中工件可以运动，故特别适宜组织自动化处置线。)激光束便于经过导光系统准确地输人与定位，亦能导向多个任务台，可大大提高激光的运用率和处置的效率。)激光外表处置尤其适用于大批量处置消费线，其本钱比传统的外表热处置低。 激光外表相变应化(LTH) 不论激光束是如户J产生的，激光束仅是一加热金属的热源，金属经激光热处置后，普通不出现异常的治全变化。相变硬化是一种儿乎无尺寸变化而能到达冶金相变的加工技术。利用激光束可以选择小面积加热和对需求部位硬化。实

4、现激光相变硬化有三个根本条件仁:第一，金属硬化区必需到达奥氏体化温度;第二，在加热与冷却周期内硬化区在奥氏体化温度区应坚持足够长的时间，以保证碳能充分的分散;第三，应具有足够大的本身淬火才干，其冷却速度应超越临界冷却速度。金属经激光相变硬化的冶金变化不同于普通淬火之处有以下几点:()激光相变硬化后的硬度高于普通淬火。其缘由一方面由于在很高抑制条件下构成马氏体，另一方面那么由于极快的加热和冷却速度使获得变形马氏体。()激光相变硬化才干决议于所处置的资料。普通地说，凡适宜于普通淬火的资料也适宜于激光相变硬化。但对低碳钢当其碳含量在.%以下时普通淬火普通难于淬硬，而激光相变硬化却可以极快冷却速度使其

5、淬硬。对具有石墨组织的铸铁普通淬火亦不易淬硬，但激光相变硬化也可使其淬硬，虽然在如此短的分散时间内完成。()对于含有分散球状碳化物的钢或含大量石墨不含珠光体的铸铁，由于相变时间太短，激光相变硬化难以使其淬硬。 工具钢和高速钢的激光外表硬化引起许多研讨者的兴趣。Brover用脉冲激光器研讨了不同组织的RMS激光高温快速硬化的能够性.实验证明，不同激光能量程度和加热速度与不同原始组织配合，可以得到不同程度和均匀性的固溶体，从而得到在服役条件下所需求的优化的数值。Mulin等用lJ的激光器硬化XNT，NA砧A和工具钢。激光硬化的工具钢的耐磨性是非硬化工具的一倍，是带有氮化钦外表涂层的一倍。 激光外表

6、熔化(LSM) 激光外表熔化在满足外表某些需求，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显出独特优点。可用激光外表熔化得到细晶组织、非晶态和亚稳相，低的气孔率和光滑的外表，基体中较小的热影响区以及良好的基体与外表的结合。光外表熔化施于钢铁常产生硬度很高的外表，可有效提高耐磨性;施于有色金属常可获得非常细而均匀的组织广。激光熔化高速钢时，先使原始组织迅速熔解，以后冷却时可保管大量己铁素体和奥氏体，可明显地提高硬度.激光熔化铸铁时可在莱氏体区构成细组织涂层激光熔化镍基合金时，那么可得到过饱和基体相的细枝晶构造，同时枝晶区域内细MC碳化物质点和共晶组成。美国NASAMarshen航天中心正努力于提高航天飞机

7、(SSME)许多零件的寿命或修复完成每一次飞行义务之后的零件。主熄灭室中最关键的部件是其内衬(热壁)，它由锻造的NARloyz制成.该合金在一的温度范围暴露h后，可察看到晶界析出物及无析出区，这些都会降低主熄灭室内衬的寿命.一旦析出物构成，除了用熔化方法以外，很难用热处置的方法使其回到固溶体中去.激光上釉是细化锻造NARloyz的显微组织的一种很有效的方法.用这种方法得到了很细的激光上釉显微组织，第二相均匀分布和错在铜基体中的扩展固溶体，使合金热稳定性和时效硬化得到很大改善。 激光外表合金化(LSA) 许多铁合金等较难熔资料在接触激光功率密度达W/mm的受热外表时，足以到达K/s的加热速度会发

8、生熔化，其中的各种元素分散进入零件液态金属的薄层内。当冷却凝固时将构成固溶体和化合物夕外表发生合金化.最近有些国家对利用含Cr，Ni和Mo的铁基合金进展激光外表合金化的工艺产生极大兴趣，这种方法既可改动金属性能，又可节约资料、降低本钱，可用普通碳钢等廉价资料获得外表耐磨、防蚀和抗高温氧化性很高的零件。用预置石墨粉习经过熔化或熔化后再进展渗碳构成碳化物的外表合金化可明显地提高外表硬度。 妨碍激光外表合金化广泛运用的妨碍，除设备投资大、本钱高外，就是在资料处置过程中外表易产生气孔、裂纹以及外表平整度的下降.针对后者，研讨者根据详细情况加强研讨，曾经探求出一些可行的方法。Ion用实验证明，激光外表合

9、金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的方法。他运用的激光器功率为kw，合金元素为铬，激光合金化层的厚度为.mm，使耐腐蚀性大大提高。Mazulnde等用激光使低碳钢外表以铬、锰、碳合金化。结果证明，用激光加工过的资料在销一柱磨损实验中表现出比Stelhte 合金还要好的耐磨性。作者以为，耐磨性的提高归因于树枝状组织和铬的碳化物，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挪动速率可以得到较高耐磨性的合金层。 激光外表冲击硬化(LSH)激光冲击硬化是前苏联学者在年代初提出的。利用极高功率密度(大于sw/cm，)激光束冲击(作用时间为数量级甚至更短)工件外表，使表层几微米的薄层迅速

10、被加热汽化。在极短的时间内，金属蒸气由于遭到外部介质的限制而在冲击区构成超高压冲击波(最大GPa左右)。随着冲击波向基体内的传送，会在表层产生压应力区，并出现某些微观特性的改动，从而改善了金属的机械性能。Chan运用名义功率为GW/cm，脉冲时间为ns的脉冲Q开关的YAG激光器使铸铁、和铝合金冲击硬化，冲击振幅为.GPa.两种铝合金的疲劳寿命均得到提高.其缘由是外表存在剩余压应力。文献作者以为，为了得到外表剩余压应力，应对热应力的作用和冲击波的作用加以区分。实验阐明，运用吸收涂层后可以得到外表剩余压应力.由于只需冲击波透人资料，该区域受张力变形，但受周围资料的约束，被约束的区域就是一个压应力区

11、。假设热量进人该区域，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剩余应力程度，但外表损伤更小，且能得到更大的透入深度。 激光外表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加纯金属或合金，使之完全熔化，而基材金属表层微熔，冷凝后在基材外表构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，以加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分散而改动包覆层的成分和性能。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

12、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外表，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、丝状纯金属或合金延续送入熔池内，其中用气体将粉末以一定角度吹入熔池的方法称为激光喷涂。激光熔覆与合金化类似。可根据要求在外表性能差的低本钱钢上制成耐磨、耐蚀、耐热、耐冲击等各种高性能外表，来替代昂贵的整体高级合金，以节约贵重金属资料。包覆层组织细小，普通无气孔和空穴。将硬质TIC颗粒覆于高速钢外表，经过激光包覆处置得到TIC熔化层，然后进展快速淬火。这样获得的外表包覆有极高硬度HV一，最高可达HV。高速钢激光包覆的寿命为普通热处置钢的.

13、倍，最高达.倍。可以预料，这种处置方法将广泛用于加工难切削资料的刀具。较常采用的激光包覆与基体的组合方式有如下儿种上: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;铁硼一软钢;镍一软钢;铬一钦。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，减少部分加热时的热变形，准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。 激光施袖激光上釉是利用激光束熔化金属外表后再以/s的冷速进展快速淬火和凝固夕使合金元素和碳的分散遭到抑制.这样一来，高温相随着其溶解度极限被保管到室温，得到过饱和固溶体.然后再重新加热进展弥散硬化处置。此亚稳相的热处置使金属的硬度和强度

14、进一步提高.激光施釉的快速冷却提供了许多有用的冶金构造，如非晶态组织，即金属玻璃。“施釉一词即由此而来.激光施釉层常包括非晶层与结晶层，结晶层内主要为枝晶区，内与基体相连，非晶层为外表层。激光施釉结合火焰喷涂、离子喷涂、离子堆积等堆积技术在控制组织、提高外表抗蚀、耐磨和性能方面日益显示出宽广的运用前景。冷态工具钢(CrNi，XCrMOV)、热态工具钢(NICrMoV，XCrMoV)和高速钢先进展离子涂WC一Co，然后激光施釉可显著提高硬度。电子资料、磁性资料和其它一些电气资料用激光施釉后用于检验仪表上极为理想。 激光退火激光退火有两类:一类是激光诱导外表熔化，通常称“激光退火;另一类是用激光束

15、进展部分软化退火。激光退火常运用于半导体，可消除硅中离子注入所产生的严重膨胀损伤，如对石墨带加热器已运用激光退火，可在Si层上构成SiO层。氧化物层经过别中氧离子注入构成。离子注入后外表Si层是高无序的，但尚不是非晶态，高温()退火将坚持此Si层的晶性。曾对冷加工金属(CuNi，SMnZ，SA，CuNiZ:，卫。，XCrNi和低碳钢)和时效硬化资料(AIMgsiZ)的部分软化进展了研讨。变形冷加工金属被加热至某一不熔化或熔化温度时，会发生部分再结晶而降低硬度.可以预料，对整体资料的激光退火将会逐渐被运用到资料加工制造工业上。 激光气相堆积激光气相堆积可分为激光物理气相堆积和激光化学气相堆积，可

16、以在基板上构成各种性能的薄膜，成膜速度快，质量好。如用激光物理气相堆积可以构成各种氧化物、氮化物的陶瓷镀膜和氧化物高温超导膜;用激光化学气相堆积可合成金刚石薄膜和非晶态硅。日本已用激光化学气相堆积法生长出五氧化担薄膜，该薄膜具有极高的耐蚀性。将分子束外延法和准分子激光技术结合起来，可以一层层地控制氧化物薄膜的构成过程。日本利用该技术已在Si上构成层共m厚的极薄氧化柿膜，一层厚约m。目前，激光气相堆积技术的研讨和运用正在蓬勃兴起。 激光外表处置过程中的剩余应力激光外表处置可引起剩余应力，但也可以降低或消除已产生的剩余应力。剩余应力常是由未发生熔化的激光相变硬化诱导出来的，其特征为外表处置层上出现

17、压应力，下方的加热层出现拉应力.通常后者较强而且非常危险，它可导致裂纹.以钢为例，由激相变诱出的剩余应力通常从压应力MPa变化至MPa，拉应力从MPa变化至MPa在中碳钢中激光相变硬化产生的剩余应力比在合金钢中的效果好.经多次激光处置反复出现软化和外表拉应力的情况，是不理想的。对马氏体钢用Co基或Ni基粉末进展包层时所诱出的剩余应力在包层中为拉应力，基体中为压应力.在包层外表可出观MPa的高外表剩余拉应力。通常皆采用高频加热、电阻加热、放热式混合加热等方法来降低剩余应力。但是这些方法的作用过程都比较慢，所以现已采用高剧烈度的激光加热来降低剩余应力。显然，经过快速供热和构造转变可产生热静力学波，

18、当入射能量强度是足够高能熔化金属时，可有效消除外表应力.热弹性波可使动应力松驰，当在外表层出现时，也能导致应力消除。 终了语 为了使激光外表处置技术获得更普遍的运用，还需处理好以下几个问题:(l)研制出性能稳定可靠、本钱低的大功率激光设备;提高设备的配套化和自动化程度，以更好地实现准确的温度控制;扩展激光外表处置技术的运用范围;推进宽带扫描技术的开展，以处理窄带扫描搭接带软化问题;进一步提高消费率;促进激光外表处置技术的普遍运用。()加强对激光外表处置技术改性机理的研讨，处理好温度场测定不够准确的间题，加强相关测试技术的研讨，并从实际上加强对某些激光外表处置技术产生外表剩余拉应力和裂纹的机理研讨，提出详细处理措施。()系统地研讨激光外表处置工艺参数、资料性能、外表情况(吸光率)等对处置后外表层性能的影响，掌握最正确工艺参数组合，开展成形工艺。()加强对激光外表处置后资料微观构造(或质量)的无损评价设备的研讨。提高资料的外表性能将成为今后资料科学和制造业的重要开展方向，激光外表处置技术以其独特优点促进了资料外表改性处置工艺技术的开展。随着人们对激光外表处置技术研讨的日益深化，这项技术将会在未来的工业开展中发扬日益重要的作用。参考文献:l朱企业等.激光精细加工.机械工业，熊剑.国外热处置新技术.冶金工业.张世杰等.激光外表热处置的现状及其进展.航空工艺技术，():