激光表面改性技术研究
激光技术在原位材料表面改性过程中效果检测
激光技术在原位材料表面改性过程中效果检测激光技术在材料表面改性中广泛应用于增强材料性能、提高材料加工效率和改善表面特性。
在激光加工过程中，准确评估激光对材料表面的影响是至关重要的。
因此，激光技术的效果检测成为了原位材料表面改性过程中的一个重要环节。
激光技术的改性过程可以通过各种方式进行监测和评估。
其中，最常用和有效的方法之一是利用表面形貌分析技术，例如扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）。
这些技术可以提供高分辨率的图像，用于观察和测量材料表面的形态变化、微观结构和纳米尺度的特征。
通过比较激光加工前后的表面形貌图像，可以定量评估激光对材料表面的改性效果。
除了表面形貌分析，还可以利用光谱分析技术来评估激光改性的效果。
例如，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱可以提供材料的化学成分和分子结构信息。
这些技术可以用于检测激光引起的化学变化、物质转化和表面基团的变化。
通过分析光谱特征的变化，可以确定激光加工对材料的影响及其改性效果。
此外，还可以利用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术来评估激光改性的效果。
XRD可以提供材料的晶体结构信息，通过比较激光加工前后的XRD图谱，可以观察晶格的变化情况。
XPS可以提供表面元素的化学状态和组成信息，通过分析XPS光谱，可以确定激光改性引起的表面化学变化。
除了以上常用的检测方法，还可以利用热重分析（TGA）、显微硬度测试、电子顶角测试等方法来评估激光改性的效果。
这些方法可以从不同的角度对激光加工前后的材料进行测试和分析，进一步确认激光对材料表面的改性效果。
在进行激光技术的效果检测时，还需要注意一些问题。
首先，合适的样品制备和测试条件是保证测试结果准确性的重要因素。
样品表面的准备和处理过程应遵循一定的规范，以确保样品表面的一致性和可重复性。
此外，测试条件的选择也需要根据不同的材料和激光参数进行适当的调整，以确保测试结果的可靠性。
总结起来，激光技术在原位材料表面改性过程中的效果检测至关重要。
模具钢的激光表面改性研究
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激光表面改性技术
激光物理气象沉积 激光诱导液相沉积
激光增强电镀
激光化学气相沉积
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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， 金属熔化以前，依靠金属自身冷却达到淬火的目的。激光相变硬化的实质是 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 也被显著强化。与常规热处理淬火相比较，激光相变后材料硬度要提高，低 碳钢也能提高一定的硬度。
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优点
与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、 组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变 化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
激光表面改性技术及其优点
激光表面处理是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材 料表面，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 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 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 、机械、电器、兵器和汽车制造行业。
优点
（1）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 （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 （4）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
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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 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。
(完整版)激光表面改性技术
1.什么是激光表面改性技术？
一般原理 激光与材料表面相互作用过程
一般原理
激光表面改性技术是采用高功率密度的激光器，利用光学 聚焦透镜将激光束聚焦，从而获得很高的激光功率密度和温度。 以非接触的方式，照射到材料表面，使金属材料表面在瞬间 （毫秒甚至微秒级）被加热或熔化后，借助于材料表面自身传 导快速冷却。在激光束与材料表面相互作用的过程中，通过热 效应及化学反应等方式，改变材料表面的组织结构、物理性能、 化学成分、应力状态等，从而改善材料表面性能（如耐磨性、 耐腐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等）的工艺方法。
b 优点： ①一般不添加合金元素。 ②熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。 ③在熔凝过程中，可以排除杂质和气体。 ④同时极冷重结晶获得的组织具有较高的硬度、
耐磨性、抗蚀性
c 用
a 原理：指利用高能量密度、短脉冲激光扫描材料表面，由 于材料吸热后升华气化而急速膨胀甚至等离子体化，并引 起爆炸波以及在表面产生冲击波，从而使材料表面强化的 技术。在激光与材料相互作用的过程中，由于高压冲击应 力波的产生，使材料表面产生塑性变形，形成大量的高密 度位错和残余压力，从而可大幅度提高材料表面的硬度和 抗疲劳性。
效率加工。 ③ 激光表面处理技术改性机理还不完善，温度场的测定还
不够精确，激光表面处理加工过程中的热应力、热应变和 加工后的残留应力问题没有很好理论解释。 ④激光表面处理工艺参数、材料性能 以及表面状况（如吸 光率）等处理后表层性能的影响研究不完善。 ⑤ 设备昂贵，一次性投入高。
（2）前景
① 利用激光表面处理技术，在一些表面性能差和价 格便宜的基体金属表面获得合金层，用以取代昂 贵的整体合金，节约贵金属和材料，使廉价材料 获得应用，从而大幅度降低成本。
总之：激光表面改性技术在改善和强化材料表面性 能，提高材料的使用寿命方面具有突出的优越性。
激光表面改性技术
激光表面改性技术1. 激光束的产生及原理；2. 激光束的特点；3. 激光束表面处理的特点；4.反应过程5. 应用（常见的激光表面处理工艺）。
激光表面改性技术，是应用光学透镜将激光束聚集带很高的功率密度与很高的温度，照射各种材料表面，借助于材料的自身传导冷却，实现材料表面改性的方法。
通过激光表面改性，可大幅度提高材料或零件部件的性能和寿命，获得极大的社会效益和经济效益，其应用前景十分广阔。
一、激光束的产生某些具有亚稳态能级结构的物质（如氦、氖、二氧化碳）受外界能量激发时，使其处于亚稳态能级的原子数目大于处于低能级的原子数目，具有这种特性的物质称为激活介质。
将激活介质置于两个反射镜之间，其中一个反射率为100%的全反射镜，相对的一个是反射率为50%~90%的部分反射镜。
在光学谐振腔内，激活介质受到激发而产生光子辐射，使辐射不断加强。
遇有反射镜的存在，光子在两个反射镜间不断传播、反射，沿轴线方向不断连锁地进行下去，形成光震荡，最后由部分反射镜的输出端发射出来的频率、相位、传播和振动方向完全相同的光子成为激光束。
二、激光束的特点自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世以来，激光技术已得到了很大的发展，并在国民经济各个领域得到广泛的应用。
与其他光源相比，激光束具有许多突出的特点。
（1）高功率密度（高亮度）：与其他光源相比，激光光源发射激光束的功率密度较大，经过光学透镜聚集后，功率密度进一步增强，可达1014/cm2，焦斑中心温度可达几千度至几万度，比太阳的表面亮度高1010倍。
（2）方向性好：激光可认为是近似平行光束，因为激光束的发散角小到0.1mrad，是其他光源无法达到的。
因此，激光在传输过程中的能量损失很小，可利用光学透镜把高功率密度的激束光导向设定的零件部件部位。
（3）高单色性：激光源发出的激光是具有相同的位相与波长，光谱线宽可调节到10-7Ao，比其他单色性最好光源的谱线宽度小几个数量级。
三、激光束表面处理的特点与其他表面处理技术相比，激光表面处理具有如下特点：1.激光束处理表面后材料表面的化学均匀性很高，晶粒细小，因而表面硬度高，耐磨性好。
激光表面改性技术
1激光表面改性技术发展历程激光的发明及应用是20世纪对人类文明及社会进步影响最深远的重大科技成果之一，激光技术在材料科学及制造科学中的应用，大大促进了材料科学与工程及先进制造技术的发展激光表面改性是运用高能激光束对工件表面进行改变性能的技术，具有许多独有的特点。
从20世纪60年代激光问世以来，激光技术作为一门崭新的高新技术，几乎在各行各业都获得了重要的应用。
20世纪70年代中期大功率激光器的出现，使激光绿色再制造技术不仅在研究和开发方面得到迅速发展，在工业应用方面也取得了长足进步。
经过30年的迅猛发展，激光绿色再制造技术已在汽车、冶金、纺织等行业得到成功的应用，获得了良好的社会效益和经济效益。
激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20％的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90％以上。
激光具有四大特性:高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
激光的能最密度高（可达104-108 M/cm2)，作用于工件表面时形成局部高温，基体的加热速度和冷却速度极快，般可达104-108 ℃/S。
与传统的热加工技术相比，激光加工对基体的热影响区小得多，因此工件一般不产生热变形或变形量极小。
此外，由于激光加工是光子与材料相互接触，故而对环境的污染小，是名副其实的绿色加工技术。
进行激光表面改性处理的目的是为了制取与基体性能有较大差异的改性层，它包括激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆等技术。
激光淬火是运用高能激光束对工件以定速度进行扫描，使工件在激光照射下瞬间达到相变点以上高温，然后以极高的速度冷却，达到表面淬火的效果。
激光表面合金化是添加某一种或几种合金元素在基体表面，在激光束的照射下形成熔池，并与基体材料发生冶金反应，获得含基体元素和添加元素的合余改性层。
材料科学中的表面改性技术研究
材料科学中的表面改性技术研究近年来，随着科学技术的不断进步，表面改性技术在材料科学领域中引起了广泛关注。
表面改性技术是一种通过改变材料表面结构和性质来增强其性能的方法。
这项技术在工业生产与学术研究中都发挥着重要作用，并为人类社会的发展带来了巨大贡献。
在材料科学领域，表面改性技术被广泛应用于各种材料类型，如金属、陶瓷、塑料等。
其中，最常见的应用领域之一是金属材料。
金属材料的表面改性可以通过多种方法来实现，如电化学表面改性、离子注入、熔融浸渍等。
通过这些方法，可以改变金属材料表面的化学和物理性质，从而提高材料的耐腐蚀性、机械强度和疲劳寿命等重要性能。
在材料科学领域，发展出了许多表面改性技术，如等离子体表面改性技术、激光表面改性技术和化学气相沉积技术等。
等离子体表面改性技术是一种通过将材料表面暴露于等离子体中，将气体离子注入到材料表面从而改变其性质的方法。
激光表面改性技术则是应用强烈的激光束来改变材料表面的结构和性质。
化学气相沉积技术则是一种将气体分子沉积在材料表面形成覆盖层的方法。
这些技术的发展为材料表面改性提供了重要的手段和途径。
表面改性技术在材料科学中具有广泛的应用前景。
例如，在电子行业中，表面改性技术被用于制备高品质的电子元件，提高其导电性和光学性能。
在医疗领域，表面改性技术被用于制备人工关节材料，增加其生物相容性和耐用寿命。
在能源领域，表面改性技术被用于改进太阳能电池和燃料电池的性能，提高能量转换效率。
在汽车制造领域，表面改性技术被用于制备高强度、低摩擦材料，提高汽车的安全性和燃油利用率。
然而，表面改性技术研究仍然面临着一些挑战。
首先，目前的研究主要集中在实验室规模，缺乏大规模生产的经济性和可行性研究。
其次，表面改性技术中使用的材料和设备成本较高，限制了其广泛应用。
此外，表面改性技术对材料的热稳定性和机械强度有一定要求，因此需要更多的研究来解决这些问题。
为了克服这些挑战，我们需要加强材料科学领域的研究和开发，推动表面改性技术的创新和应用。
激光表面改性技术
（5）激光表面合金化
a 原理：利用高能密度的大功率激光束将基底材料局部 区域表面加热到一定固态温度或形成一层薄的熔区， 通过扩散或添加合金元素或化学反应，改变表面化学 成分以改善材料表面的性能。 b 优点：①可利用气体或液体材料作为合金元素 ②合金化层组织小，结构致密，气孔率低 ③无需以工件作为电极传导，粉末材料和基体 材料使用面广 ④ 热影响区小，工件变形小 c 用途：常用于在磨损、腐蚀、高温氧化等工作条件下 的工件表面强化，以及修复磨损件。
（4）激光冲击强化
a 原理：指利用高能量密度、短脉冲激光扫描材料表面，由 于材料吸热后升华气化而急速膨胀甚至等离子体化，并引 起爆炸波以及在表面产生冲击波，从而使材料表面强化的 技术。在激光与材料相互作用的过程中，由于高压冲击应 力波的产生，使材料表面产生塑性变形，形成大量的高密 度位错和残余压力，从而可大幅度提高材料表面的硬度和 抗疲劳性。 b 优点：①可在空气中进行，对基体材料不产生畸变。 ②可冲击强化精加工工件的曲面（如齿轮、轴承 等） c 用途：提高材料抗疲劳寿命
总之：激光表面改性技术在改善和强化材料表面性 能，提高材料的使用寿命方面具有突出的优越性。
3.激光表面改性技术的分类
激光熔覆、激光淬火、激光表 面熔凝、激光表面冲击强化、 激光表面合金化
（1）激光熔覆（亦称为激光包覆，或者激光 熔敷）
a 原理：通过在基体材料（基材）表面添加一层熔覆材 料，再利用高能密度的激光束对其表面辐射加热， 使基材表面薄层和熔覆材料发生熔化，由于材料自 身热传导作用，被辐射后的材料表面迅速冷却温度 降低，并快速凝固形成一层与其为冶金结合的填料 熔覆层。 b 方法：一步法（同步送料法）和预置法 （P5 –P6） c 优点：①涂层与基材集合好，熔覆组织致密。 ②降低材料成本，降低能源消耗，节约贵重稀 有金属。 d 用途：材料表面改善和修复
材料的激光加工与表面改性
材料的激光加工与表面改性激光技术是一种利用高功率激光束对材料进行加热、熔化、蒸发或气化的加工方法，具有高精度、高效率和非接触等特点。
随着科技的不断进步，激光加工技术在材料科学领域得到了广泛应用，尤其是在材料的激光加工与表面改性方面。
一、激光加工1. 激光切割激光切割是利用高能激光束对材料进行局部加热并融化，通过气流或压缩气体将熔化的材料吹走，实现材料的切割。
激光切割具有高精度、快速、灵活性强等优点，尤其适用于薄板材、复杂形状的切割。
2. 激光焊接激光焊接是利用高能激光束对材料进行加热，使其瞬间融化并形成焊缝的一种技术。
激光焊接具有热影响区小、焊缝质量高、焊接速度快等优点，广泛应用于电子、航空航天、汽车等行业。
3. 激光打孔激光打孔是通过激光束的高能量浓集作用将材料表面局部加热并瞬间蒸发，实现对材料的穿孔。
激光打孔具有孔径小、精度高、速度快等特点，适用于金属、陶瓷、玻璃等材料的加工。
二、表面改性1. 激光熔覆激光熔覆是将金属粉末或线材通过激光束的热效应熔化并喷射到基材表面，形成一层致密、耐磨、耐腐蚀的涂层。
激光熔覆可以改善材料表面的性能，增加材料的耐磨、抗腐蚀等特性。
2. 激光热处理激光热处理是利用激光的高能量特性对材料进行局部加热，使其发生相变或组织结构改变，从而改善材料的性能。
激光热处理可以提高材料的硬度、耐磨性、韧性等特性，广泛应用于金属材料的表面改性。
3. 激光雕刻激光雕刻是利用激光束对材料进行高精度的刻蚀加工，实现图案、文字等的雕刻。
激光雕刻具有刻蚀精度高、刻划速度快等优点，常用于制作标识、艺术品、模具等领域。
总结：激光加工技术在材料科学领域的应用已经成为一种不可忽视的工具。
通过激光加工，可以实现对材料的高精度处理和表面改性，提高材料的性能和品质。
随着激光技术的不断发展和创新，预计激光加工在未来将发挥更重要的作用，并为材料科学带来更多的突破和进步。
7.2 激光表面改性技术
激光淬火技术的应用
❖ 激光淬火由于以上优点而得到较为广泛的应用。 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) 材料成分：是通过材料的 淬硬性和淬透性来影响激光 淬硬层深度与硬度的。一般 说来，随着钢中含碳量的增 加，淬火后马氏体的含量也 增加，激光淬硬层的显微硬 度也就越高，如图所示
2) 激光工艺参数：激光淬火 层的宽度主要决定于光斑直径； 淬硬层深度由激光功率、光斑直 径和扫描速度共同决定；描述激 光淬火的另一个重要工艺参数为 功率密度，即单位面积注入工件 表面的激光功率。为了使材料表 面不熔化，激光淬火的功率密度 通常低于104W／cm2，一般为 1000-6000W／cm2。
谢谢观看 请给高分
激光表面熔凝技术特点
优点：比激光淬火层的总硬化层深度要深、 硬度要高、耐磨性也要好。
缺点：基材表面的粗糙度较大，后续加工量 大。
7.2.3 激光熔覆技术
激光熔覆(Laser Cladding)技术亦称激光 包覆、激光涂覆、激光 熔敷，是一种新的表面 改性技术。它通过在基 材表面添加熔覆材料， 利用高功率密度的激光 束使之与基材表面一起 熔凝的方法，在基材表 面形成与其为冶金结合 的添料熔覆层，以改善 其表面性能的工艺。
3)表面预处理状态：一是表 面组织淮备，即通过调质处理等 手段使钢铁材料表面具有较细的 表面组织，以便保证激光淬火时 组织与性能的均匀、稳定。二是 表面“黑化”处理，以便提高钢 铁表面对激光束的吸收率。
优点：
（1）与常规淬火相比，激光淬火 后的硬度要高1－5HRC。 （2）激光加热和冷却速度非常快， 变形小。 （3）可对局部、沟槽、内壁、刃 口等进行激光表面强化，可加工 形状复杂的零件。 （4）相变硬化层组织细密，位错 密度高，耐磨性更好。 （5）几乎不破坏表面粗糙度，采 用防氧化保护薄涂层。 （6）不需要加热和冷却介质，无 污染，清洁环保，效果好。 （7）加工过程采用计算机控制， 质量可靠，效率高。
激光在材料表面改性中的应用及研究进展
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【 摘
要 】激 光 作 为 高 能 热 源 极 大 丰 富 了 材 料 表 而 改 性 的 方 法 ， 被 国 内外 学 者 Ｊ。 ’ 泛 Ｊ材 料 表 而 改 性 。 本
激光表面改性技术应用讲解
激光表面改性技术应用讲解激光表面改性技术是指利用激光器对材料表面进行加热、熔化、蒸发和物理化学反应等处理，以改善、增强材料表面性能的一种技术。
激光表面改性技术具有操作灵活、加工精度高、处理速度快等特点，被广泛应用于许多领域。
以下是激光表面改性技术的具体应用介绍。
材料表面改性激光表面改性技术可以对材料表面进行改性处理，以改善、增强其表面性能。
例如，利用激光对金属表面进行处理，可以使其表面硬度增强、耐腐蚀性能提高、摩擦系数降低等。
同时，激光加工可以实现在表面形成微纳米结构，从而提高材料的抗腐蚀性能。
自洁性和防污性自洁性和防污性是指材料表面具有自行清洁或难以粘附污物的性能。
通过激光表面改性技术，可以在材料表面形成微纳米结构，从而提高材料的自洁性和防污性能。
材料表面形成结构后，可以使污物减少粘附，从而避免表面污染和降低清洁难度。
此外，激光网络图形处理还可通过改变材料的表面能和柔性，表现出超级物相的效果。
次表面磨损次表面磨损是指当物体表面磨损后，其下的材料在表面下面形成磨损层的现象。
通过激光表面改性技术，可以在材料表面形成高硬度、高密度的合金层，从而提高材料的耐磨性能。
激光熔丝合金化仪可通过硬化层的性能调制来实现在常温下的增强性能。
表面耐腐蚀利用激光加工技术，对材料表面进行改性处理，可以提高其耐腐蚀性能。
例如，通过激光加工技术，在金属表面形成多孔结构，在多孔结构中填充抗腐涂层，可以实现材料表面抗腐蚀性能和长期防腐效果，并且减少了耗材的浪费。
表面改性与生物医药领域激光表面改性技术在生物医药领域中也有着广泛的应用。
例如，通过激光加工技术，在人工心脏支架或骨支架表面形成微孔结构，可以促进生物组织生长和血管新生，从而促进人工心脏或骨支架与生物组织的生物融合。
同样，激光技术也可应用于在医疗器械的表面形成高耐磨的表面层，实现长期耐用。
总结激光表面改性技术是一种功能强大的技术，在生产过程中能够实现高加工精度、高处理速度和高稳定性。
激光表面改性技术的研究与其应用
激光表面改性技术的研究与其应用激光表面改性技术的研究与应用摘要：激光本身具有很大的发展潜力，产生激光束的装置在品种和效率上都有很大的发展潜力。
利用激光表面改性技术能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳结合，为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计和制造工艺的某些根本性变革。
本文从激光表面改性的技术特点及先进制造业的发展需求岀发，论述了激光表面改性技术的特点及其在半导体表面改性、智能制造及柔性加工等领域的研究与应用。
关键词：激光表面改性；激光熔覆；激光表面相变硬化；复合处理；柔性制造激光表面改性技术是材料表面工程技术最新发展的领域之一。
这项技术主要包括激光表面相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光冲击硬化、激光非晶化及微精化等多种工艺。
其中，激光相变硬化和激光熔覆是目前国内外研究和应用最多的两种工艺。
激光表面相变硬化：与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面进行硬化处理。
激光熔覆:是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光幅照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。
与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。
1、激光表面改性的技术特点激光表面改性是当前材料工程学科的重要方向之一，被誉为光加工时代的一个标志性技术，各国(尤其是发达国家)均予以重点发展。
其高效率、髙效益、高增长及低消耗、无污染的特点，符合材料加工的发展需要。
激光表面改性技术研究
激光表面改性技术研究随着现代科技的不断发展，激光技术在工业、医疗、军事等各个领域得到了广泛应用。
激光表面改性技术是其中的一种新兴技术，它可以通过激光对材料的表面进行加工和改性，从而提高材料的性能和特性。
本文将对激光表面改性技术的研究现状、应用及其未来发展进行探讨。
一、激光表面改性技术的原理激光表面改性技术是利用激光在材料表面产生的热效应、化学反应和物理效应对材料表面进行加工和改性的一种高新技术。
1.热效应激光束的高能量密度可以使材料表面迅速升温并融化或气化，从而实现表面修剪和改性。
在此基础上，可以产生许多有用的效应，例如表面电子激发、氧化反应、合金化反应等。
2.物理效应激光照射材料表面时，由于高能激光束的准直性和强度的原因，可以产生一系列的物理效应，如爆轰、蒸汽爆破、等离子体、激光冲击波等，这些效应可以有效地改变材料表面的形貌和组织结构。
3.化学效应激光束在材料表面照射时，还可以通过光化学反应、光解反应、化学吸附等途径，改变材料表面的化学组成和性质，从而改善材料的结构和性能。
二、激光表面改性技术的应用激光表面改性技术在工业和科研领域中应用广泛。
以下是几个典型的应用案例。
1.金属表面改性激光照射金属表面可以使其表面硬度、耐磨性、腐蚀抗性得到大幅度提高，从而改善机械性能和延长使用寿命。
同时，激光照射还可以在金属表面产生微观结构和扭曲形状，从而改变其光学、电子、磁性等特性，扩展其用途。
2.聚合物表面改性激光照射聚合物表面可以使聚合物表面变为亲水性，同时也产生微结构，改善了聚合物表面的摩擦性、润湿性以及生物相容性，被广泛用于生物医疗、纳米光电等领域。
3.半导体表面改性激光照射半导体表面可以在其表面产生微观结构或者缺陷，从而改变半导体的电子性质和光学特性。
这个技术被广泛应用于半导体器件制造过程中，提高器件性能和可靠性。
三、激光表面改性技术的未来发展目前，激光表面改性技术还处于发展的初期阶段。
未来发展趋势以以下几个方面为主。
激光表面改性技术——激光毛化技术讲解
2014项目申请表主要性能、特点、应用范围及市场前景：一、主要性能、特点激光毛化技术（Laser Texturing或Laser Surface Texturing，LT、LST）是将经过特殊调制的高能量密度脉冲激光束聚焦后照射到材料表面，材料吸收激光能量后温度升高，并产生熔化、气化形成光致等离子体等阶段。
使材料在表面一个微小区域内熔化，形成熔池。
在表面张力或辅助气体的作用下，熔池会发生变形。
当光束停止照射时，由于快速的热传导，熔池会很快凝固，这样就会形成一个边缘微凸的毛化坑，如果需要还可以将一定成分的辅助气体吹向熔池，以得到特定形貌的毛化坑。
通过控制激光束和材料的相对运动，就可以在材料表面形成一系列均匀分布的毛化坑。
材料表面的激光毛化过程中的组织变化，相当于是一次快速激光淬火，即相变硬化过程，可以提高被加工材料（如轧辊等）的表面硬度及耐磨性，从而提高其使用寿命。
与传统的喷丸毛化处理及电火花毛化处理技术相比，激光毛化技术具有如下特点：1.可控性高，通过控制激光毛化过程及辅助气体量的大小，在材料表面可以得到任意的毛化形貌及粗糙度；2.环境友好，毛化过程中，不产生任何对环境有害的物质；3.毛化表面的性能可控，可通过改变激光毛化的气体氛围或通过在需毛化的材料表面预铺设相应的材料，在毛化过程中，调控毛化层组织，实现毛化层所需的性能要求；4.工艺流程简约，激光毛化对材料表面要求较低，无需预处理；5.加工速度快，性价比高；6.加工材料不受限制，激光毛化技术是利用激光热效应的原理，可在任意金属及非金属表面实现毛化处理；7.克服毛化过程中出现的划痕、边浪。
二、应用范围及市场前景在工业生产微细化、精密化、智能化、自动化的快速发展的今天，涉及了光学、摩擦学、生物医学、材料学、流体动力学等，具有高可控性、高效率、高性能、高性价比、高附加值和环境友好特性的激光毛化技术，适用于任意材料的表面毛化处理领域，如钢铁轧板及轧辊的表面毛化，具有极好的市场及发展前景。
先进绿色：激光冲击表面改性技术
一
激光冲击强化技术最为典 型的应用就是航空发 动机叶片的强化 。据称 ，ＧＥ 公司已为Ｂ一１ 轰炸机
Ｆ ０ 发 动 机 的 ２ 多 片 叶 片 及Ｆ一１ 战 斗 机 的 ２ ０ １１ 万 ６ ００
多片叶片进 行激光 冲击强化处理 ，效果 明显 。 目 前 ，美国正在将激光冲击技术应用￣ ＦＡ～２ 上的 Ｊ Ｉ／ ２
Ｆ 一Ｐ 一１０ １９ Ｗ １ ０ 发动 机 生产 线 ，若 将所 有 叶 片都 进
般涂覆简单 ，能量吸收显著 ，并且完成试验后极
行激光冲击处理 ，预计节约成本将超过 ｌｌ 美元 。 ＯＬ 美 国加 州大学的劳伦斯 ・ 里弗莫 尔国家重点实 验室 （ Ｌ Ｌ ＮＬ）与麦锡金属表面处理公司 （ Ｃ） ＭＩ
靶 内传 播的冲 击波
来进行表面改性和延寿技术具有高压、高能、超快 的特 点。它能有效止裂含裂纹 的零部件 ，修复废 旧
激光冲击改性处理示意
激光冲击一般采用钕玻璃、红 宝石及Ｙ Ｇ高功 Ａ
疲劳零部件 ，使断裂控制技术更加完善 ，从而使结
参《 Ｉ Ｉ
…
燕
１ ５
构 零部 件 更安 全 、合理 ，也更 为 经济 。
和力学性能 ，使材料的屈服强度产生 了明显的提高
后 ，世界 各 国 对于 激 光冲 击改 性 的研 究 纷 纷展 开 。
１ 涂 层材料的选择 ．
涂 层材料 的选择原 则 ：①对激光 的吸收 比较 高 ，易于提高 冲击波峰值压力。②具有低的热导率 和低汽化热。③能经受高的功率密度和温度 ，有机 化合物不宜采用 。④易于涂覆至金属表 层且与基体
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基体
/techtransf er/common/getfile.php?id=166
15
激光抛光
16
激光表面清洗
污染物受热蒸发 表面污染 物吸收激 光能量 形成急剧膨胀的等 离子体，诱发冲击 波，使污染物弹射 离开表面
/.../html/1.stm
Weight % 1 Element 2 1 2 3 4 5 6 7
C
O Si
25.9
10.1 2.76 0.71 4.71 55.7
5.65
6.88 3.67 0.72 4.29 73.4
8.94
8.98 3.67 0.72 4.29 73.4 0.37 1.11 3.02 93.9 0.71 0.90 2.83 95.5 0.67 0.91 1.53 96.9 36.4 18.2 1.16 36.1 8.02
Targets
Quartz window
Laser beam
LAD300 Laser Arc Deposition System
谢谢！
22
6
激光与材料表面相互作用
激光
部分反射
材料表面原子
部分吸收激发原 子和电子振动转 化为热能
部分传递
7
激光的高能量密度和快速
1J 脉冲激光 脉宽 10ns 聚焦光斑直径 0.1mm
1千瓦 的电炉
1012
W/
cm2
3 W / cm2
约3 千亿倍
激光参数对表面质量的影响
9
激光参数对表面质量的影响
7 A
17
激光表面织构
Bennett TD, et al, Marangoni mechanism in pulsed laser texturing of magnetic disk substrates, J.Heat Transfer – Transactions of of the ASME 119 (3) 589-596 1997.
Transition band
Heat affected zone
机械密封表面的激光熔敷
/.../
13
激光诱导改性
激光 新物质生成 基体
活性气体
激光诱发化学反应
表面图形
Ti
Al
14
激光蒸发沉积PLD
聚焦镜 透射窗 激光
真空室
靶材 蒸发粒子
4
基 基 体 体
1960年 “受激发射光放大”
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation --- LASER
T. H. Maiman
/.../LASER%20WEBPAGE.html
5
激光器种类： 固体、气体、液体、半导体、染料 脉冲、连续 红外、可见光、紫外 激光特点： 方向性 单色性 相干性
4
3
Cr Mn Fe
激光与材料表面相互作用
改变表面 几何性质
改变表面材 料微观结构
表面材料 蒸发烧蚀
材料表面 其它效应
11
激光硬化 激光熔覆
激光在表面技 术中的应用
激光诱导改性 激光蒸发沉积 激光抛光 激光表面清洗
激光表面织构
12
激光相变硬化
激光熔覆
Melted zone
1300µm
Hardened zone
实验室科研探究课
第25单元
激光诱导表面改性技术研究
laser Induced Surface Modification
表面是指固体表层一个或数个原子层的区域。 由于表面粒子（分子或原子）没有邻居粒子， 使其物理性和化学性与固体内部明显不同。ed the solids, the DEVIL their SURFACEs
---- Wolfgang Pauli
3
表面处理方法一览
机械处理 --- 喷丸、滚压 表面热处理 --- 火焰淬火、高频淬火、激光、电子束处理 表面化学热处理---渗碳、渗氮、渗硫、碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗硅、渗铬 离子注入 激光冲击硬化 转化涂层 ---- 阳极氧化、磷酸盐处理 物理气相沉积PVD ---- 溅射, 弧离子镀, 高能束蒸发沉积 化学气相沉积CVD, 等离子体辅助化学气相沉积PCVD 凝胶- 溶胶法 SOL – GEL 电镀、化学镀、复合镀, 热浸镀 激光熔敷, 堆焊 热喷涂--- 等离子、电弧、火焰、超音速、爆炸 自蔓延涂层SHS (Self-propagating high-temperature synthesis) 黏结涂层 --- 静电喷涂、涂镀 表面织构化处理
18
/shoc h/2...65_1.htm
19
激光诱导真空弧沉积
Protection resistance Switch K1 Switch K2 Arc voltage DC voltage supply Temperature control Negative bias Substrate Vacuum chamber Target holder Electrode Particles Resistive heater Substrate holder Reflecting focusing mirror Gas inlet Capacitor C V A Arc current