高能束表面改性技术研究进展30页PPT
表面改性技术-表面热处理
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。
《高能束加工》课件
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
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高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
高能束表面改性技术
国内自20世纪80年代以来激光相变硬化工艺的应用开发在车辆、机械、矿山、模具等方面也有许多成功的实例并建立了生产线,例如对汽车或拖拉机汽缸套内壁进行激光相变硬化处理，使汽缸套的使用寿命成倍提高。
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激光合金化与激光熔覆
激光合金化与熔覆是同一种类型的工艺，它们的区别仅在于，激光合金化所形成的合金层的成分是介于施加合金与基体金属之间的中间成分，即施加合金受到较大或一定的稀释。而激光熔敷则是除较窄的结合层外，施加合金基本保持原成分很少受到稀释。 这些区别可以由被施加材料、施加合金成分、施加形式及量和激光工艺参数的改变来达到。
#2022
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电子束表面处理的特点
2.电子束表面改性工艺
1）电子束表面相变硬化
电子束表面相变硬化也称电子束表面淬火，是用高能量的电子束快速扫描工件，控制加热速度为103～105℃/s，使金属表面薄层被快速加热到相变点以上，此刻工件基体仍处于冷态。随着电子束的移开和热传导作用，表面热量迅速向工件心部或其他区域传递，高速冷却(冷却速度达108K／s～1010 K／s)产生马氏体等相变，在瞬间实现自冷淬火。
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扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量，不能达到所需的相变温度。
02
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常用的黑化处理方法有磷化法、碳素法和熔覆红外能量吸收材料(如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料等)。其中磷化法最好，其吸收率可达80%～90％，膜厚仅为5μm，具有较好的防锈性，激光处理后不用清除即可用来装配。
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3）电子束表面合金化
电子束表面合金化与激光表面合金化有些相似，将某些具有特殊性能的合金粉末或化合物粉末如B4C、WC等粉末预涂敷在金属的表面上，然后用电子束加热，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，在表面形成与原金属材料的成分和组织完全不同的新的合金层，从而使零件或零件的某些部位提高耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化的特种性能。
表面改性技术
例如，对发动机气缸内壁进行表 面改性，可以提高其硬度和耐磨 损性，减少摩擦和磨损，降低油 耗和排放。
电子工业领域
电子工业中，表面改性技术主要用于 提高电子元件的导电、导热和抗氧化 性能，从而提高电子产品的性能和可 靠性。
例如，对铜基板进行表面改性，可以 提高其抗氧化性和耐腐蚀性，延长电 子元件的使用寿命。
表面改性技术
目 录
• 表面改性技术概述 • 表面改性技术的方法 • 表面改性技术的应用领域 • 表面改性技术的挑战与前景
01
表面改性技术概述
定义与分类
定义
表面改性技术是指通过物理、化学或 机械手段对材料表面进行改性，以改 变其表面性质和功能的一种技术。
分类
表面改性技术可以根据改性手段的不 同分为物理表面改性、化学表面改性 和机械表面改性等。
表面涂层技术
01
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电镀
通过电解的方法在材料表 面沉积金属或合金，提高 表面的硬度和耐腐蚀性。
喷涂
利用喷枪将涂层材料喷涂 到材料表面，形成均匀的 涂层，提高表面的装饰性 和功能性。
热喷涂
通过加热将涂层材料熔化 或软化，然后喷射到材料 表面，形成耐磨损和耐腐 蚀的涂层。
03
表面改性技术的应用领 域
挑战1
表面改性技术的稳定性不足。
挑战2
表面改性技术的成本较高。
挑战3
表面改性技术的环保性能有待提 高。
解决方案3
研发环保型表面改性技术，减少 对环境的负面影响。
解决方案2
通过技术创新和规模化生产，降 低表面改性技术的成本。
解决方案1
加强科研投入，提高表面改性技 术的稳定性。
市场前景与发展趋势
市场前景
表面改性技术ppt课件
图 感应加热表面淬火示意
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二、 表面热处理强化
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧－乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，
随后淬火冷却的工艺。
优点：与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适
用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。
缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安
精品课件
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三、 金属表面化学热处理
根据渗入元素的不同，化学热处理可分以下几类：
(1)渗碳、渗氮、碳氮共渗。可提高材料表面获得高的
硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲 疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。
(2)渗硼。提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。可
用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色金属材料，如钽 和镍基合金。这种方法成本较高。
在真空中采用连续气相沉积激光技术, 在软的基材表 面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。
精品课件
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五、 离子注入表面改性
离子注入：将所需的某种元素的原子电离成离 子，在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工 件表面一定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。
（一）离子注入的原理
1、入射离子工件材料与发生相互作用
精品课件
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一、 金属表面形变强化
精品课件
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一、 金属表面形变强化
2、表面形变强化原理
在形变硬化层中产生两种变化：
在组织结构上，亚晶粒极大地细 化，位错密度增加，晶格畸变度 增大
形成了高的宏观残余压应力
结果：反抗外力的能力增强，表面 强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强 度提高。
电子束表面改性技术的研究及应用探讨
电子束表面改性技术的研究及应用探讨电子束表面改性技术是现代材料科学中的一个重要研究方向。
该技术是通过向材料表面注入电子束，使原有的结构发生改变，从而达到增强材料性能的目的。
这种技术主要应用于材料表面的微观结构改变和材料性能的改善。
今天我们来探讨一下电子束表面改性技术的研究和应用。
一、电子束表面改性技术的研究电子束表面改性技术是金属表面改性的一种有效方法。
电子束表面改性技术的原理是通过电子束的加速器将电子束加速到一定的能量后，注入到材料表面，使其发生结构变化。
电子束注入后，材料表面上的晶体会发生位错、变形等变化，从而改变其物理性质。
电子束表面改性技术的研究主要针对对材料表面的改变进行研究。
目前主要的研究方向有以下几个：1. 电子束注入量的控制电子束注入量的大小对材料的性质改善有重要的影响。
过度注入会造成材料的熔化或蒸发，导致严重的损坏。
因此，需要通过精确的控制电子束的注入量，以达到材料表面的最佳改性效果。
2. 电子束的能量电子束的能量对材料表面的改性效果有显著影响。
通过调节电子束的能量，可以改变材料表面的晶体结构，从而提升材料的性能。
3. 电子束注入时间和速度电子束注入时间和速度也对电子束表面改性技术的效果有重要的影响。
一般来说，注入时间和速度都需要控制在合适的范围内，以避免材料表面的熔化、蒸发或其他形变等问题。
二、电子束表面改性技术的应用电子束表面改性技术的应用不仅局限于材料改性，还可以应用于其他领域。
以下是其主要应用领域：1. 电子束表面改性技术在航空航天领域的应用电子束表面改性技术在航空航天领域的应用越来越广泛。
它可以用于制造各种支架、引擎和其他重要部件。
电子束表面改性技术可以提升这些材料的性能，降低摩擦系数和阻力等，大大提高了安全性和寿命。
2. 电子束表面改性技术在医学领域的应用电子束表面改性技术在医学领域的应用也很广泛。
它可以用于制造人造骨骼植入物、心脏支架和其他医疗器械。
电子束表面改性技术还可以增强这些材料的生物相容性，从而减少排异反应的几率。
表面改性技术
表面改性技术班级：材料092姓名：朱光辉学号：109012042 课程: 现代表面技术表面改性技术概述：表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。
表面改性技术的研究和应用已有多年。
70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。
表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。
（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。
（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。
（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。
表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。
表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。
表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。
喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。
已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。
喷丸强化原理：（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。
高能束流加工技术的应用与发展
高能束流加工技术的应用与发展高能束流(High Energy Density Beam)加工是利用高能量密度的束流(激光束、电子束、等离子束)作为热源,对材料或构件进行特种加工的技术. 20世纪以来，航空科学技术迅速发展，为保证在高温、高压、高速、重载和强腐蚀等苛刻条件下的工作可靠性，在飞机、发动机和机载设备上大量采用了新结构、新材料和复杂形状的精密零件，这就使产品的制造性日趋恶化，对制造技术不断提出新的挑战。
鉴于对有特殊要求的零件用传统机械加工方法很难完成，难于达到经济性要求。
现在，工艺师们独辟蹊径，借助各种能量形式，探寻新的工艺途径，各种异于传统切削加工方法的新型特种加工方法应运而生，如高能束流加工、电火花加工、电解加工、化学加工、物料切蚀加工以及复合加工。
目前，特种加工技术已成为航空产品制造技术群中不可缺少的分支，在难切削材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为重要的工艺方法。
1.现代特种加工技术的特点及发展趋势1.1特种加工技术的特点现代特种加工（SP,Special Machining）技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料切除的加工方法。
与常规机械加工方法相比它具有许多独到之处。
① 以柔克刚。
因为工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。
② 用简单运动加工复杂型面。
特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂型面。
特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。
③ 不受材料硬度限制。
因为特种加工技术主要不依靠机械力和机械能切除材料，而是直接用电、热、声、光、化学和电化学能去除金属和非金属材料。
它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。
其加工性能与工件材料的强度或硬度力学性能无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料，因此， 特别适用于航空产品结构材料的加工。
第六章表面改性技术
6.1.2 激光表面处理工艺
通过快磨试验、汽车台架试验与装车 考核试验证明，活塞环的磨损量减少， 使用寿命提高。
采用激光加热表面熔化--结晶处理灰 铸铁，在白口区硬度达到1070～ 1210HV。美国阿尔科公司利用这种方 法处理灰铸铁的凸轮轴等零件，表面形 成莱氏体组织，硬度为52～54HRC。
6.1.2 激光表面处理工艺
激光表面冲击
激光物理气相沉积 激光化学气相沉积 激光电镀：阴极加热
6.1.2 激光表面处理工艺
1. 激光相变硬化：在固态下经受激光辐照，其表层被迅 速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬 火得到马氏体组织的一种工艺。
加热和冷却速度高： 105～109℃/S
高硬度：比常规淬火提高15%～20%
螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现 多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式 是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变 硬化技术对轴颈进行强化处理。
6.1.2 激光表面处理工艺
螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化 工艺：激光输出功率1.1kw，扫描速度
17mm/s，光斑直径4mm。 效果：激光硬化区主要是由针状马氏体、
轨
刀具耐用度提高2.5～3.5倍，切削速度提高 7～8倍
比硼缸套寿命高25％，与活塞环配制寿命提 高30％
较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品 率高
6.1.2 激光表面处理工艺
2. 激光表面熔凝处理：利用能量密度很高的激光束在金 属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层， 并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速 度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结 构的一种表面改性技术。
6.1.2 激光表面处理工艺
（2）有色金属系 在铝合金中加入合金元素的激光表面合
等离子表面处理技术发展及应用ppt
第十四页，共五十六页。
3 等离子外表(wàibiǎo)强化方式
〔2〕外表(wàibiǎo)熔凝硬化
等离子束流(shù
liú)
快速扫描工件
外表形成 熔池
依靠工件自身冷却和 向空气散热快速凝固
硬化效果显著，但硬化层的形成过程中，发生了液态到固态的转变， 产生铸造缺陷的可能性增加。此外，熔凝硬化层因凝固反响而突起， 采用该种硬化方式处理的工件，一般需经过珩磨前方可使用，增加 了制造工序和本钱。〔适于铸铁和高合金钢〕
等离子束外表处理(chǔlǐ)技术及应用
材料科学与工程教研室 2021-01-15
第一页，共五十六页。
等离子束外表处理技术(jìshù)简介
断裂
磨损(mó
sǔn)
腐蚀
机械零部件失效
为满足(mǎnzú)外表耐磨性能和耐腐蚀性能
外表改性处理
第二页，共五十六页。
等离子束外表处理(chǔlǐ)技术简介
传统外表(wàibiǎo)改性技术
(qiánghuà)
基体(jī tǐ)材料： 碳钢：Q235、20、45、16Mn 合金钢：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L、1Cr18Ni9Ti、
2Cr13 ； 铸铁：HT200、QT600、合金铸铁； 有色金属合金：Al合金、Ti 合金
第十七页，共五十六页。
3 等离子外表强化(qiánghuà)方式
熔覆材料：
铁基合金粉末：熔覆层具有优良的耐磨性，但脆性较大 铁铬硅硼合金粉末：50HRC以上，适用(shìyòng)于铁路钢轨的修 补,以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件 的强化和修复。
第十九页，共五十六页。
3 等离子外表(wàibiǎo)强化方式
表面工程技术(PPT 90张)
腐 蚀
美国：国家标准局1978年调查： 1975年腐蚀损失达820亿美元，占 国民生产总值的4.9%； 1995年腐蚀损失达3000亿美元； 中国：1983年调查：腐蚀损失400亿元/年
腐蚀和磨损均是 发生于机件表面 的材料流失过程， 其他形式的失效 过程有许多也是 从表面开始
世界三大名刃之一
日本刀的覆土烧刃
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1.1 表面工程
www.theபைடு நூலகம்
1.1.1 表面技术及其发展背景
19世纪工业革命以来，为适应高强度、高硬度 和耐磨、耐蚀、耐高温等特殊要求，需不断开发 各种特殊的合金材料，但这些材料往往价格昂贵。 因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表 面进行加工，改变其表面性能，以适应复杂的工 作环境。 另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料 表面，通过对材料表面进行有效处理，可极大地 提高材料寿命。基于这样的背景，逐步形成了一 门新兴学科——表面工程学。
材料表面工程
概论
第一章
6 Company Logo
第一章 材料表面工程概论
主要内容： 1.1 表面工程的概述 1.2 表面工程技术的功能与分类 1.3表面工程的科学体系 1.4表面工程技术的应用 1.5表面工程技术的发展趋势
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延缓和 控制表 面破坏 的方法
促进 了表 面工 程学 的发 展与 形成
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表面工程技术的背景
表面工程概念的提出始于20世纪80年代。 1983年英国T· Bel教授首先提出了表面工程的概 念。 表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯 明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和1985 年国际刊物《表面工程》的发行。 1986年10月国际热处理联合会决定接受表面工 程的概念，并把自己的会名改为国际热处理及 表面工程联合会。
第四节高能束加工
❖ 5）能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较 大优势。
3.激光加工的应用
（1）激光打孔
❖ 激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工， 如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模 等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细 微孔的加工。
❖ 常用的高能密度束流加工方法主要是: ❖ 激光加工、电子束加工、离子束加工等。
高能密度束流加工的共同特点：
❖ 1.加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少， 工件变形小。
❖ 2.束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、 电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融 汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面， 使材料变形、分离破坏。
2.离子束加工特点
❖ 1）加工精度高。因离子束流密度和能量可得 到精确控制。
❖ 2）在较高真空度下进行加工，环境污染少。 特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化 的金属材料。
❖ 3）加工应力小，变形极微小，加工表面质量 高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。
3.离子束加工的应用范围
❖ 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及 离子溅射沉积和离子注入等。
❖ 3.工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。 ❖ 4.束流控制方便，易实现加工过程自动化，
一、激光加工
1.激光加工原理
❖ 激光加工（laser beam machining，LBM）是
在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用 过程。
❖ 通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近 的极小光斑，其功率密度可达107～1011w/cm2，温度 可达一万摄氏度，将材料在瞬间（10-3s）熔化和蒸 发，工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸 汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈 冲击波喷溅出去。