第五章激光表面处理
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第五章激光表面处理
本章主要内容
• 概述－基本原理 • 激光表面相变硬化 • 激光冲击硬化 • 激光熔凝 • 激光合金化 • 激光熔敷
§5.1 概述
• 过程：以激光扫描零件表面，使材料表面 吸收光能迅速升至高温，进而发生相变、 熔化或覆盖甚至熔入其他金属非金属元素 ，随后快速冷却来达到零件改性的目的。
• 化学反应吸收层
• 磷化法：形成磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁覆盖层 • NaOH氧化法
• 布儒斯特角吸收：入射角的控制、光斑的扩 大等问题、内表面处理
2 常规参数
• 功率：p大、B 、H大 • 离焦量：影响光斑直径功率密度和加热时间 • 扫描速度：加热时间
t
B H
Βιβλιοθήκη BaiduI ∆F
三 相变硬化层性质
1. 硬度：沿深度方向的硬度分布
– 黑化原则：
• 吸收率高、高的热稳定性(800~900℃) • 导热性能好 • 与工件表面有良好结合 • 涂层薄而均匀 • 益于生成和去除 • 工艺简单、价格便宜
黑化方法
• 喷涂覆盖物：10~20um厚
• 商用高温油漆：有机物＋碳黑＋氧化钛＋SiO2＋硅酸 钠、硅酸钾等
• 石墨和炭素墨水 • 黑化涂料喷涂
激光相变硬化的特点
• 优点
– 高速加热和高速自冷 – 硬度高(比常规高5~20％) – 组织细 – HAZ小，淬火应力及变形小 – 提高疲劳强度 – 可达性好，工艺灵活，复杂
零件加工
– 局部有选择的表面处理 – 无需外加冷却介质
• 缺点
– 表面局部改性，无 助于心部性能改善
– 硬化面积小 – 硬化深度浅 – 设备费用高
– 零件综合性能好 – 成倍延长产品寿命
作用过程
• 高能量(104-105w/cm2)激光束快速扫描工 件，工件表面极快升温到高于相变点低于 熔化温度；光束离开后，冷态基体的热传 导使被加热区迅速冷却而产生自淬火；
• 快速加热和快速冷却 组织细、硬度高 • 加热速度高达：105－106℃/s • 冷却速度高达：105 ℃/s
• 功率密度为107~1011w/cm2 • 作用时间为几ps到几百ns • 典型冲击强化工艺参数：铷玻璃激光器，输出能
量80~100J，脉宽3~30ns • 主要是力的作用，热作用可忽略不计，防止裂缝
生长和发展，细化晶粒－锻压效果
两种类型
• 有约束层
–激光束透过水或玻 璃被吸收层吸收, 吸收层部分汽化形 成等离子体,由于 等离子体被约束在 约束层和试样之间 ,根据理想气体的 状态方程,在有约 束层时可以比无约 束层时获得更高的 冲击波峰压
一、影响硬化指标参数
• 质量指标：硬化深度(H)、宽度、硬度、晶粒度
• 激光功率P
• 光斑大小D←离焦量
H=α·P/(D.v)
• 扫描速度v
• 材料性质：物理（导热性）、 吸收系数α 、化学 成分、原始组织和热处理状态
• 工艺参数通过热循环参数显示其影响。一定参数 ，每点均有：升温→最高→降温
• 加热速度，最高温度，保温时间，冷却速度
• 吸收层0.01~0.1um，深度：0.1~0.5mm • 功率密度要求不高，多模、矩形光斑 • 研究活跃，某些工艺已经得到实际应用
分类
• 激光表面相变硬化
• 激光熔凝
• 激光合金化
• 激光表面涂覆
• 其他
– 激光冲击硬化、激 光毛化、激光上釉 等
工艺
相变硬化 熔凝和合 金化涂覆 冲击硬化
功率密度
四、激光相变硬化实例
• 模具 • 汽车转向器壳体 • 弹性连轴节主簧片
• 机床电磁离合器连接 件
• 应用场合：不要求整 体淬火或其他方法难 以处理，以及形状复 杂或尚需进一步提高 硬度、耐磨性等性能 的零件
汽车模具淬火
§5.3 激光冲击硬化
• 高功率密度( GW/ cm2) 短脉冲(几十纳秒) 强激光与金 属材料相互作用,会在材料表面形成一个高压应力波, 即激光诱导的冲击波。强激光产生的这种超高压已成 为动高压技术的一种有效手段, 已用于激光冲击处理 (laser shock processing) 这一材料表面改性技术中。
• 可用来改善金属材料的机械性能,特别能有效地提高金 属材料的抗疲劳断裂性能和硬度。
• 与传统的喷丸、锻打相比，洁净、无公害，可处理圆 角、拐角等部位
• 国内外学者研究激光冲击铝合金等有色金属的较多， 亦有碳钢、合钢、球墨铸铁、不锈钢、镍基合金等应 用研究
激光冲击强化原理
• 过程：材料表面局部升温、汽化、离化，产生高 压力(GPa)的等离子体膨胀，对材料表面造成冲击 波或应力波
(w/cm2) 104~105 104~106
108~1010
作用深度 (mm)
0.2~1 0.2~2
0.02~2
§5.2 激光表面相变硬化
• 目的与作用：
– 强化零件表面，提高其表面硬度、耐磨 性、耐蚀性、强度和高温性能(硬化带，降低 磨损；表面产生压应力，提高疲劳强度),而使心部保 持较好的韧性。
硬度
距表面距离
单台阶：高碳钢 双台阶：亚共析钢，不完全相变：马氏体＋未转变的铁素体＋未溶解的渗碳体 表层非最高硬度：表面微熔时，尚未有系统研究 有回火区的硬度分布：基体已经有较高硬度，如经正常淬火后的高速钢
硬度沿宽度方向分布
• 光斑的搭接造成
硬度
• 理想的匀强光斑产 生的回火软化区比
高斯光斑小
位置
– 激光加热：非扩散型机理。在一个恒定温度下，F 自发瞬间转变成A，无C化物参与。体心立方→面 心立方。T增大时，才有C化物向A溶化过程
• 冷却：很高速度容易自淬火，比普通油冷水 冷速度高出一个数量级以上
二、硬化工艺
1. 增强表面吸收（黑化处理）
– I低，不熔，不汽化，不存小孔效应，表面光洁 度高，90~95%反射掉→克服高反射率
• 加热温度
– 组织转变温度比常规上移很多：C钢900~1200℃
– 但晶粒仍来不及长大。加热：2×103~2×105 0c/s ，冷却：700~2×104 0c/s；1KWCO2， V=5~70mm/s
• 加热速度
– 常规速度：A 形核、长大，Fe3C溶解，A均匀化 。一个温度范围内，扩散型机理
2. 疲劳强度：相变硬化、马氏体转变过 程产生体积膨胀，膨胀受到基体的制 约产生残余压应力，压应力使疲劳强 度增大
3. 耐磨性：硬夹软的特点，容纳碎屑和 润滑油
四、激光相变硬化实例
• 发动机缸体和缸套
硬化带轨迹为螺旋、网纹、波纹等，淬硬带宽3-3.5mm ，淬硬层深0.2-0.3mm，硬度为基材3倍以上
本章主要内容
• 概述－基本原理 • 激光表面相变硬化 • 激光冲击硬化 • 激光熔凝 • 激光合金化 • 激光熔敷
§5.1 概述
• 过程：以激光扫描零件表面，使材料表面 吸收光能迅速升至高温，进而发生相变、 熔化或覆盖甚至熔入其他金属非金属元素 ，随后快速冷却来达到零件改性的目的。
• 化学反应吸收层
• 磷化法：形成磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁覆盖层 • NaOH氧化法
• 布儒斯特角吸收：入射角的控制、光斑的扩 大等问题、内表面处理
2 常规参数
• 功率：p大、B 、H大 • 离焦量：影响光斑直径功率密度和加热时间 • 扫描速度：加热时间
t
B H
Βιβλιοθήκη BaiduI ∆F
三 相变硬化层性质
1. 硬度：沿深度方向的硬度分布
– 黑化原则：
• 吸收率高、高的热稳定性(800~900℃) • 导热性能好 • 与工件表面有良好结合 • 涂层薄而均匀 • 益于生成和去除 • 工艺简单、价格便宜
黑化方法
• 喷涂覆盖物：10~20um厚
• 商用高温油漆：有机物＋碳黑＋氧化钛＋SiO2＋硅酸 钠、硅酸钾等
• 石墨和炭素墨水 • 黑化涂料喷涂
激光相变硬化的特点
• 优点
– 高速加热和高速自冷 – 硬度高(比常规高5~20％) – 组织细 – HAZ小，淬火应力及变形小 – 提高疲劳强度 – 可达性好，工艺灵活，复杂
零件加工
– 局部有选择的表面处理 – 无需外加冷却介质
• 缺点
– 表面局部改性，无 助于心部性能改善
– 硬化面积小 – 硬化深度浅 – 设备费用高
– 零件综合性能好 – 成倍延长产品寿命
作用过程
• 高能量(104-105w/cm2)激光束快速扫描工 件，工件表面极快升温到高于相变点低于 熔化温度；光束离开后，冷态基体的热传 导使被加热区迅速冷却而产生自淬火；
• 快速加热和快速冷却 组织细、硬度高 • 加热速度高达：105－106℃/s • 冷却速度高达：105 ℃/s
• 功率密度为107~1011w/cm2 • 作用时间为几ps到几百ns • 典型冲击强化工艺参数：铷玻璃激光器，输出能
量80~100J，脉宽3~30ns • 主要是力的作用，热作用可忽略不计，防止裂缝
生长和发展，细化晶粒－锻压效果
两种类型
• 有约束层
–激光束透过水或玻 璃被吸收层吸收, 吸收层部分汽化形 成等离子体,由于 等离子体被约束在 约束层和试样之间 ,根据理想气体的 状态方程,在有约 束层时可以比无约 束层时获得更高的 冲击波峰压
一、影响硬化指标参数
• 质量指标：硬化深度(H)、宽度、硬度、晶粒度
• 激光功率P
• 光斑大小D←离焦量
H=α·P/(D.v)
• 扫描速度v
• 材料性质：物理（导热性）、 吸收系数α 、化学 成分、原始组织和热处理状态
• 工艺参数通过热循环参数显示其影响。一定参数 ，每点均有：升温→最高→降温
• 加热速度，最高温度，保温时间，冷却速度
• 吸收层0.01~0.1um，深度：0.1~0.5mm • 功率密度要求不高，多模、矩形光斑 • 研究活跃，某些工艺已经得到实际应用
分类
• 激光表面相变硬化
• 激光熔凝
• 激光合金化
• 激光表面涂覆
• 其他
– 激光冲击硬化、激 光毛化、激光上釉 等
工艺
相变硬化 熔凝和合 金化涂覆 冲击硬化
功率密度
四、激光相变硬化实例
• 模具 • 汽车转向器壳体 • 弹性连轴节主簧片
• 机床电磁离合器连接 件
• 应用场合：不要求整 体淬火或其他方法难 以处理，以及形状复 杂或尚需进一步提高 硬度、耐磨性等性能 的零件
汽车模具淬火
§5.3 激光冲击硬化
• 高功率密度( GW/ cm2) 短脉冲(几十纳秒) 强激光与金 属材料相互作用,会在材料表面形成一个高压应力波, 即激光诱导的冲击波。强激光产生的这种超高压已成 为动高压技术的一种有效手段, 已用于激光冲击处理 (laser shock processing) 这一材料表面改性技术中。
• 可用来改善金属材料的机械性能,特别能有效地提高金 属材料的抗疲劳断裂性能和硬度。
• 与传统的喷丸、锻打相比，洁净、无公害，可处理圆 角、拐角等部位
• 国内外学者研究激光冲击铝合金等有色金属的较多， 亦有碳钢、合钢、球墨铸铁、不锈钢、镍基合金等应 用研究
激光冲击强化原理
• 过程：材料表面局部升温、汽化、离化，产生高 压力(GPa)的等离子体膨胀，对材料表面造成冲击 波或应力波
(w/cm2) 104~105 104~106
108~1010
作用深度 (mm)
0.2~1 0.2~2
0.02~2
§5.2 激光表面相变硬化
• 目的与作用：
– 强化零件表面，提高其表面硬度、耐磨 性、耐蚀性、强度和高温性能(硬化带，降低 磨损；表面产生压应力，提高疲劳强度),而使心部保 持较好的韧性。
硬度
距表面距离
单台阶：高碳钢 双台阶：亚共析钢，不完全相变：马氏体＋未转变的铁素体＋未溶解的渗碳体 表层非最高硬度：表面微熔时，尚未有系统研究 有回火区的硬度分布：基体已经有较高硬度，如经正常淬火后的高速钢
硬度沿宽度方向分布
• 光斑的搭接造成
硬度
• 理想的匀强光斑产 生的回火软化区比
高斯光斑小
位置
– 激光加热：非扩散型机理。在一个恒定温度下，F 自发瞬间转变成A，无C化物参与。体心立方→面 心立方。T增大时，才有C化物向A溶化过程
• 冷却：很高速度容易自淬火，比普通油冷水 冷速度高出一个数量级以上
二、硬化工艺
1. 增强表面吸收（黑化处理）
– I低，不熔，不汽化，不存小孔效应，表面光洁 度高，90~95%反射掉→克服高反射率
• 加热温度
– 组织转变温度比常规上移很多：C钢900~1200℃
– 但晶粒仍来不及长大。加热：2×103~2×105 0c/s ，冷却：700~2×104 0c/s；1KWCO2， V=5~70mm/s
• 加热速度
– 常规速度：A 形核、长大，Fe3C溶解，A均匀化 。一个温度范围内，扩散型机理
2. 疲劳强度：相变硬化、马氏体转变过 程产生体积膨胀，膨胀受到基体的制 约产生残余压应力，压应力使疲劳强 度增大
3. 耐磨性：硬夹软的特点，容纳碎屑和 润滑油
四、激光相变硬化实例
• 发动机缸体和缸套
硬化带轨迹为螺旋、网纹、波纹等，淬硬带宽3-3.5mm ，淬硬层深0.2-0.3mm，硬度为基材3倍以上