激光处理技术

介质表面激光处理技术介绍机械制造及自动化专业1激光表面处理技术：

是利用大功率高密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面并在材料表面形成一定厚度的处理层,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、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能的表面处理技术。2激光表面处理技术的产生时间背景：

时间：激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代。

背景：1随着60年代第一台红宝石激光器的诞生及70年代大功率激光器的成功研制。（物质基础）2又由于激光在材料加工中，能量传递方便、集中，加工时间短，速度快，无污染，

操作简单，使该技术能够广泛传播。（自身特点）3激光表面处理技术是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术。3激光表面处理的技术原理：

激光是一种相位一致,波长一定,方向性极强的电磁波,激光束由一系列反射镜和透镜来控制,可以聚焦成直径很小的光(直径只有0.1mm),从而可以获得极高的功率密度(104~109W/cm2)。对物体表面作用，作用的过程可分为四个主要的阶段。4四个阶段为：

1.吸收光束.

2.能量传递.3.金属组织的改变.4.激光作用后的冷却.在这四个阶段，物体表面经历了加热、熔化和冲击和冷却的作用，从而影响着物体表面的质量。

5与常规的金属表面处理方法相比，激光处理技术有如下优点：

1加热迅速，且有强自淬火作用。2变形小，表面光洁，不用校形、精加工。3可以实现形状复杂的零件的局部表面处理。4激光表面处理通用性强。5无污染，安全可靠。6操作简单，效率高。6激光表面处理技术的研究方向：激光表面淬火激光表面熔敷激光表面合金化激光冲击硬化激光非晶化71.激光表面淬火：激光淬火又称为激光相变硬化,是指以高能密度的激光束照射工件表面,使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能,从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体,经随后的快速冷却,获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理术。

8激光表面淬火对物体表面的影响：1

激光淬火处理后的工件表面硬度高,通常比常规淬火硬度高5%~20%,可获得极细的硬化层组织。2由于激光加热速度快,因而热影响区小,淬火应力及变形小。一般认为激光淬火处理几乎不产生变形,而且相变硬化可以使表面产生大于4000MPa的压应力,有助于提高零件的疲劳强度;但厚度小于5mm的零件其变形仍不可忽视。

9激光表面淬火的应用和实例：

在发动机缸体表面淬火,可使缸体耐磨性提高3倍以上;热轧钢板剪切机刃口淬火与同等未处理的刃口相比寿命提高了一倍左右;而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火、齿轮齿面淬火、发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火。1天津渤海无线电厂采用美国820型1.5kW横流CO2激光器对硅钢片模具进行表面淬火,大大提高了耐磨性,使用寿命提高了10倍。2，青岛激光技工中心采用HJ-3kW级横流CO2激光器,对柴油机气缸孔进行表面淬火取代了硼缸套,耐磨效果优良,配副性优良,经济效益显著。

102.激光表面熔敷：

激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化,光束移开后自激冷却的一种表面强化方法。11激光表面熔敷的特点：(1)冷却速度快(高达106K/s),组织具有快速凝固的典型特征;(2)热输入和畸变较小,涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈冶金结合;(3)粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;(4)能进行选区熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;(5)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;(6)工艺过程易于实现自动化12激光表面熔敷的应用和实例：(1)对材料的表面改性,如燃汽轮机叶片,轧辊,齿轮等;(2)对产品的表面修复,如转子,模具等.修复后的部件强度可达到原强度的90%以上,其修复费用不到重置价格的1/5,更重要的是缩短了维修时间。对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金,可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命。13激光表面熔敷的应用和实例：

如在45号钢表面利用激光熔覆技术制备了Ni/TiB2金属陶瓷复合涂层.通过测试结果表明；在45号钢表面形成的复合涂层，组织均匀致密无气孔和裂纹，并与基体成良好冶金结合，TiB2陶瓷与粘结金属之间具有良好的润湿性.超细TiB2颗粒的加人，起到了细晶强化固溶强化及第二相强化的作用，使涂层的硬度增加。143.激光表面合金化

激光表面合金化是在高能量激光束的照射下,使基体材料表面薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合,形成10~1000μm厚的表面熔化层,熔化层在凝固时获得的冷却速度可达105~108℃/s,相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度,又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象,使材料表面仅在很短时间(50μs~2ms)内就形成了具有要求深度和化学成分的表面合金层。15激光表面合金化特点

激光表面合金化涂层与基体材料呈良好的冶金结合,结合强度高,能够显著提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能。耐磨性

激光表面合金化提高基体材料的耐磨性多是添加硬质合金化粉末(如SiC,WC,TiC等),或者激光表面合金化过程中原位生成如碳化物、氮化物、硼化物或金属间化合物来增强合金化涂层的耐磨性。耐蚀性通过激光表面合金化提高基体材料的耐蚀性,是激光合金化在实际中的一个重要的应用分支,对不锈钢和钛合金进行激光合金化实验均取得不错的成果,但其耐蚀性机理较为复杂,目前处于探索阶段。K.H.Lo等人预涂WC粉末对AISI316L不锈钢进行激光合金化,采取合理的工艺参数可得到硬度高且脆性小的合金化涂层,在3.5%的NaCl溶液中的抗空蚀性能可提高30倍。

16激光表面合金化实例在清华大学做的一个应用实例。结合沙漠车用F8L413F八缸风冷柴油机研制陶瓷挺柱的科技攻关,在45钢凸轮轴上成功地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化新工艺。采用自行研制的TH22型共晶合金化涂料,在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理,使其硬度达到60~67HRC,合金化层深1.3~1.5mm凸轮的其它部分进行激光快速熔凝处理,获得的硬度55HRC,硬化层深0.1~1.0mm。凸轮强化表面平整均匀,无气孔和裂纹,实现了合理连续的组织与硬度搭配,凸轮轴处理后无需校直。发动机经500h台阶试验和沙漠车上5个月使用考核,表明激光强化的凸轮具有优异的耐磨性和抗疲劳性能。17

4.激光冲击硬化：

当短脉冲(几十纳秒)高峰值功率(>10W/cm2)的激光辐射金属靶材时,金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发,产生高温(>10000K)、高压(>1GPa)的等离子体,该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波,作用于金属表面并向内部传播。当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服强度时,材料表层就产生应变硬化,残留很大的压应力。这种新型的表面强化技术就是激光冲击处理,由于其强化原理类似喷丸,因此也称作激光喷丸。18

激光冲击硬化特点：

激光冲击处理具有应变影响层深,冲击区域和压力可控,对表面粗糙度影响小,易于自动化等特点。与喷丸相比,激光冲击处理获得的残余压应力层可达1mm,是喷丸的2~5倍。而挤压、撞击强化等强化技术只能对平面或规则回转面进行。另外,激光冲击处理能很好地保持强化位置的表面粗糙度和尺寸精度。19

激光冲击硬化发展应用：

激光冲击处理(LSP)能有效地强化钢、铝、钛、镍等金属材料,特别是2024T3铝合金经激光冲击强化后,疲劳寿命提高4倍。近年来,我国对激光冲击强化的微观机理、强化效果的无损检测及激光冲击处理对金属性能的影响及工程应用等方面进行了研究。如江苏理工大学及南京大学对2024T62铝合金进行激光冲击处理,激光冲击区的硬度提高42%,在95%置信度下,LSP试件的中值疲劳寿命是未激光冲击试样的5.4~14.5倍。江苏理工大学也对常用的45钢进行激光冲击处理,LSP区硬度提高32%,LSP试件的中值疲劳寿命是未冲击试件的1.11~2.133倍(置信度95%)。205.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却条件使某些成分的合金表面形成具有特殊性能的非晶层。与其它非晶化方法比较,激光非晶化可望在工件表面大面积地形成非晶层,而且形成非晶的成分也可扩大。非晶是一种与品态相反的亚稳态组织,它具有类似于液态的结构,即长程无序,短程有序,非晶的无序结构和高强度使得它具有比一般合金高得多的硬度，耐磨性和耐蚀性。21激光非晶化的应用：

20世纪70年代末随高功率连续CO2激光器的商品化,人们开发了连续激光非晶化的研究,以实现高覆盖率和较大面积的