激光重熔与激光相变硬化的异同讲解
激光热处理及其组织和性能
第二节激光热处理及其组织和性能一、激光热处理的特点激光热处理是在七十年代出现了大功率激光器以后才开始研究的新技术。
由于激光热处理可以获得其它热处理技术所不能达到的效果,因而对它的研究应用日益广泛和深入。
激光热处理就是以激光作为热源的热处理。
将激光束扫描至零件表面上，其红外能量被零件表面吸收而迅速形成极高的温度，可使金属产生相变甚至熔化。
随着激光束离开零件面，其表面的热量迅速向内部传递而形成极高的冷却速度，而使零件表面硬化。
激光热处理与常规热处理比较具有以下优点：（1）加热快，工件热变形小。
因激光功率密度高, 半秒钟内就可将工件表面从室温加热到淬火温度或熔点，因而热影响区小，热变形极小。
这样不仅节省能源, 并且工件表面清洁, 处理后无需修磨, 可在零件精加工后作为最后一道工序。
（2）可对形状复杂的工件或其局部进行热处理，如盲孔、小孔、小槽、薄壁零件等。
也可根据需要在同一零件的不同部位进行相应的处理。
还可对价廉的零件表面进行高级金属的局部熔覆或合金化。
（3）通用性强。
由于激光焦距大，在离焦点75毫米左右的范围内功率密度基本相同。
因此，激光热处理对工件尺寸大小及表面是否平整均无严格的限制。
用一台带光学系统的激光器可以处理不同形状和各种尺寸的工件，而通常此类工件对变形非常敏感，常规热处理无法满足。
（4）生产率高，操作简单，便于实现自动化生产。
生产重复性好，质量稳定可靠，并可纳入流水线。
（5）无需处理介质, 有利于环境保护。
基本不产生氧化，必要时又可使零件在特殊气氛（例如真空）中进行处理。
上述的优点是某些先进的热处理工艺难以达到的。
但是激光热处理的弱点是：它只是一种表面处理方法，无法善零件芯部性能。
处理层太薄，不能用于重负荷零件，也不适用于大型零件。
激光热处理设备激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体等几种类型：（ 1 ）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。
如：Nd:YAG激光器。
激光熔凝及激光熔凝淬火讲解
激光熔凝及激光熔凝淬火激光熔凝原理激光熔凝也称激光熔化淬火。
激光熔凝是用激光束将获得工件表面加热熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性能的表面改性技术。
激光熔凝原理与激光非晶化基本上相一致。
但激光熔凝处理时激光的能量密度和扫描速·度均远小于激光非晶化。
激光熔凝与激光合金化不同，它在表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合；在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，激光熔凝原理激光熔凝也称激光熔化淬火。
激光熔凝是用激光束将获得工件表面加热熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性能的表面改性技术。
激光熔凝原理与激光非晶化基本上相一致。
但激光熔凝处理时激光的能量密度和扫描速·度均远小于激光非晶化。
激光熔凝与激光合金化不同，它在表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合；在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性；其表面熔层深度远大于激光非晶化。
激光熔凝是将金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。
根据材料表面组织变化情况，可分为合金化、重溶细化、上釉和表面复合化等。
我公司的轧辊激光熔凝产品是用适当的参数的激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，获得较为细化均质的表面改性技术。
它具有以下优点：表面熔化时一般可添加超硬耐磨金属元素或化学元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。
在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂质有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，有时可不再进行后续磨光而直接使用。
提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。
激光重熔与激光相变硬化的异同讲解
激光相变硬化哪个需要的激光功率大？为什么？
小 结
1、激光重熔比激光相变需要更高的功率密度、更长的工作 时间； 2、激光重熔组织包含相变硬化区 3、激光重熔的机理是凝固理论，相变强化是相的转变 4、激光重熔的表面质量不及相变硬化 5、他们都具有激光表面改性技术其余的共同特点。
作业思考题
1、激光重熔强化与激光相变硬化有哪些相同点与不同点？
2、当光斑尺寸、扫描速度一定的情况下，激光重熔强化与
激光相变硬化是由于激光作用在金属表面，发生了超快速相 的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ变，使其表面出现晶粒细化、马氏体高位错密度、碳的固 溶度高等，从而获得高硬度。
加工质量
激光重熔表面质量相对较差、部分需要后续机加工
激光相变硬化不影响基材表面质量。
图3 激光重熔表面质量
相同点
1、加热方式均为高能量激光束，具有快速加热、快速冷却的 优点； 2、都可以提高表面的硬度、耐磨性与耐蚀性； 3、为提高基材表面对光的吸收率，均采用磷化或喷（刷）涂 料法提高光吸收性能 4、可以局部处理，易实现自动化工业生产；
激光重熔与相变硬化的异同
课程：激光表面改性技术
主讲教师：林继兴
激光重熔与相变硬化的异同
教学目标 通过本次课程的学习，了解激光重熔强化与激光相变硬化 的区别与联系
激光工艺参数区别
激光重熔比激光相变硬化需要更高的功率密度、更长的作用 时间（扫描速度更慢） 激光重熔：液态 相变硬化：固态 固态 固态
图1 作用时间与功率密度对应的改性内容
表面改性层组织区别
激光重熔对基体的加热温度较激光相变硬化高，基体由表及 里形成温度梯度，因此，激光重熔包含激光相变硬化。
重熔区 相变区
热影响区
母材
激光相变硬化的概念讲解
课程：激光表面改性技术 主讲教师：林继兴
激光相变硬化的定义
教学目标 通过本次课程的学习，掌握激光相变硬化的定义及相变过程
激光相变硬化的定义
激
光 定义：激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧
相 变
升温到相变点以上，高温薄层在基底冷却下，
超
进行自冷淬火，现实工件表面相变硬化。又称
快
激光淬火
作业思考题
1、激光相变硬化是怎么定义的？ 2、以碳钢为例，分析激光相变过程。
(激光快速加热)
珠光体
无扩散奥氏体
（快冷）
马氏体（ 过冷度大、形成细晶） 2、硬化
1）得到高碳马氏体，位错密度高最终导致表面硬度较高 2）表面压应力，提高疲劳性能
小结
1、激光相变硬化的定义： 1）相变：激光快速升温到相变点以上， 2）硬化：快速自行淬火，表层组织得到硬化
2、就碳钢而言，组织经历从珠光体加热转变为奥氏体，冷 却转变为马氏体，细晶、高位错、高碳马氏体组织是硬化 的原因。
加 热
超快加热相变
பைடு நூலகம்
自 ➢功率密度：>106W/cm2 行 ➢加热速度：104~106℃/s
淬 ➢冷却速度：106~108℃/s，自冷淬火 火
激光相变硬化的定义
激 光 相 变
超
快
加
热
自
a) 概念图 1-激光束；2-吸光剂；3-硬化层
行
b) 加热和冷却 1-激光；2-被加工材料
淬
火
激光相变、硬化
1、相变
表面工程名词解释汇总
第一章1 表面工程也称为“表面技术”、“表面处理”或“表面改性”，是应用物理、化学、机械等方法改变固体材料表面成分或组织结构，获得所需性能的表面，以提高产品的可靠性或延长其使用寿命的各种技术的总称。
2 原子沉积：原子、离子、分子及基团在基体上的凝聚、成核、长大；例如电镀、化学镀、蒸镀、溅射、气相沉积等。
3 颗粒沉积：熔化的液滴、细小颗粒在外力作用下于基体表面凝聚、沉积或烧结；例如热喷涂、搪瓷涂层等。
4 表面改性：用离子处理、热处理、机械处理、化学处理的方法改变材料表面的组成和性质。
5 表面改性：改变基体金属材料表面层的化学成分，例如化学热处理、等离子扩渗处理、离子注入。
6 表面处理：不改变基体金属表面化学成分的情况下，使其组织与结构发生变化，例如喷丸强化、表面热处理等7 表面涂镀层技术：在基体材料表面形成一层新的覆盖层，覆盖层与基体之间有明显的分界面8 纳米表面工程技术：在基体表面制备含纳米颗粒的涂层或具有纳米结构的表层第二章1 界面一般指两相交界处，严格来讲固-固、液-液、固-液、气-液、固-液交界处皆为界面2 固体表面通常指固-气界面或固-液界面，一般由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层组成。
3理想表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面，忽略周期性势场的中断，忽略缺陷、扩散、热运动，忽略外界环境影响4 无缺陷的晶体被分成两个半无限大的晶体，分割前后的原子排列、电子密度不变；表面原子能量大于内部，既为表面能5 清洁表面指没有被其它任何物质污染，也没有吸附任何不是表面组分的其它原子或分子的表面，是我们在预处理后中想要得到的表面6 表面驰豫：表面的原子周期性突然破坏，表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移以降低体系能量，表面上原子的这种位移称为表面驰豫7 表面重构：平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显着不同，原子位置作了较大幅度的调整8 化学吸附：外来原子吸附于表面并形成化学键。
激光重熔强化技术特性讲解
组织等没有特殊要求。
5、激光重熔强化工艺简单，操作灵活，重熔层深度通过各种工
艺参数及在线监测系统可自动控制，易实现工业化生产。
小 结
激光重熔强化的技术特性包括： 1、基材适应性强，黑色金属、有色金属都能适用； 2、不但改善气孔、裂纹等缺陷，而且重结晶改善性能； 3、熔层薄，热作用区小，表面粗糙度好，可以直接使用； 4、易实现局部处理，对形状、尺寸等没特殊要求；
5、工艺简单，易实现工业化生产。
作业思考题
1、激光重熔强化具有哪些特性？ 2、有色金属激光重熔时，没有相的转变，它是通过什么方 式起到强化作用的？
研 究， 发现涂层几乎不存在气孔和裂纹 ， 涂层均匀， 硬度为
873HV（原为741HV）。
激光重熔强化技术特性
3、其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大， 甚至可以直接使用
图1 铸造铝合金激光重熔强化显微组织
激光重熔强化技术特性
4、激光重熔强化技术易实现局部处理，对基体的尺寸、形状、
激光重熔强化技术特性
2、激光重熔强化不但能改善工件原有的气孔、裂纹、夹杂等缺 陷，急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性。
实例1： 李浩群等用激光重熔等离子喷涂的氧化铝陶瓷涂层，其孔隙 率和裂纹得到消除，硬度高达12.14GPa。 实例2： 王红英等进行了 Y2O3部分稳定 ZrO2等离子喷涂层的激光重熔
激光重熔强化技术特性
课程：激光表面改性技术
主讲教师：林继兴
激光重熔强化技术特性
教学目标 通过本次课程的学习，了解激光重熔强化技术优强化技术对任何金属材料（黑色金属、有色金
属）都适用。
黑色金属：晶粒细化、相变
有色金属：晶粒细化、过饱和固溶 实例： ZL109合金激光重熔层的平均显微硬度比基体提高30~40HV， 磨擦系数也显著降低，耐磨性能比基体提高1.5~3倍。
激光熔覆与激光合金化
(2) 复合粉末 在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的Ni基、Co基、 Fe基自熔性合金己不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉 末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒， 制成了金属复合涂层。 复合粉末包括自粘性复合粉末和碳化物复合粉末。它们按照结构 可以分为包覆型和非完全包覆型，其区别在于芯核粉末是否被包覆粉 末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保护，可以避免在高温 时发生部分元素的氧化烧损、挥发等现象。按照功能分又可以分为硬 质耐磨复合粉末(如Co/WC，Ni/WC)、耐高温复合粉末、耐腐蚀抗氧化 复合粉末、减磨润滑复合粉末等。
激光熔覆与激光合金化
一、激光熔覆
1、激光熔覆技术
激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种 重要方法，它是利用高能激光束(104-106W/cm2)在金属表面辐照，通过 迅速熔化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达到102-104℃/s，在基材 表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种 新的复合材料，以弥补机体所缺少的高性能，这种复合材料能充分发 挥两者的优势，弥补相互间的不足。对于某些共晶合金，甚至能得到 非晶态表层，具有极好的抗腐蚀性能。
(二) 熔覆材料的分类及特点 激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料，这些
材料包括自熔性合金材料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等， 这些材料具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，并通常以粉末的形式使用， 熔覆时采用火焰喷焊。
(1) 自熔性合金材料 自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金、钴基合金和铁基 合金。其主要特点是都含有硅和硼，所以具有自我脱氧和自我造渣 的性能，这就是所谓的自熔剂。 自熔性合金材料原理是合金被重熔时，硅和硼分别形成Si02和 B202，并在熔覆层表面形成薄膜。这种薄膜一方面能防止合金中的 元素被氧化，另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼化酸熔渣，
激光相变硬化的分析与讨论
激光相变硬化1 激光相变理论1.1 激光相变与常规淬火的区别根据钢的淬火原理：将钢在固态下加热到临界温度Ac3或Ac1以上一定温度（50~100℃），并在该温度下保持一段时间以后大于临界速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火，如图1中曲线2所示。
将钢加热到奥氏体转变临界温度（Ac3或Ac1）以上获得奥氏体组织，保温的目的是使组织充分奥氏体化，然后以大于临界淬火速度的冷却速度得到马氏体组织。
与常规淬火相比，激光淬火升温速度快，没有保温过程，达不到平衡时的均匀组织状态。
理想的淬火冷却过程如图2中曲线2所示：650℃以上应当缓慢冷却，以尽量降低淬火热应力；650~400℃之间应快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。
在400℃以下Ms 点附近的温度区域，应当缓慢冷却以尽量减少马氏体转变时产生的组织应力。
这样可保证在获得马氏体组织条件下，减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。
激光淬火冷却的特点是停止加热的瞬间温度达到最高，随即以104~105℃/s 冷却速度冷却，远大于淬火介质为盐水或碱水的最大冷却速度（2000℃/s 和2830℃/s ），根据冷却速度与时间的关系可以推断激光淬火冷却曲线在钢的理想淬火冷却曲线左侧，如图2中曲线1。
图3是铁碳合金相图热力学上近于平衡时的组织状态与温度及合金成分之间的关系。
用缓慢的加热速度升温使钢奥氏体化，可以达到接衡的程度。
奥氏体是由生成核和长大而生成的，碳化物的溶解及奥氏体晶粒的长大，均受到扩散过程的支配。
在激光加热过程中，当加热速度足够高时（大于400~500℃/s ），钢铁中铁素体相α在某临界温度（约900℃）可发生马氏体型转变的逆转变，以切变方式瞬间生成与其成分相同的奥氏体相γ，即遵循非扩散型转变规律【9】。
由奥氏体形成动力学可知，随着钢中奥氏体温度的增加，奥氏体的形核率和长大速度均随之增加，因而激光快速加热条件下，奥氏体的形核极高。
哈工大朱景川教授：硬度高达7.55GPa！激光重熔高性能中熵合金！
哈工大朱景川教授：硬度高达7.55GPa！激光重熔高性能中熵合金！导读：本文采用光纤激光重熔了一种多相无钴铸态 AlCrFe 2 Ni 2中熵合金 (MEA)。
通过表征铸态和重熔的 AlCrFe 2 Ni 2，研究了激光重熔对组织、相分布和机械性能的影响合金。
激光重熔工艺使晶粒尺寸从约780 μm 显着减小到58.89 μm（纵向截面）和 15.87 μm（横向截面），硬度从4.72 ± 0.293 GPa 增加到6.40 ± 0.147 GPa（纵向截面）和7.55 ± 0.360 GPa（横截面）。
还发现铸态合金中由FCC 相、有序B2相和无序BCC相组成的长边板状组织转变为由交替有序B2相和无序BCC相组成的纳米级编织状组织。
重熔后屈服应力从661.9 MPa增加到1347.6 MPa（纵截面）和1647.2 MPa（横断面）。
高熵合金 (HEAs) 和中熵合金 (MEAs) 是新开发的合金，它们由具有相等或接近相等摩尔比的几种元素组成。
HEA/MEA 的特殊成分特性导致非凡的性能，如高强度和硬度、良好的热稳定性, 高耐腐蚀性, 理想的高温抗氧化性能和优越的磁性。
电弧熔炼是HEA/MEAs最常用的制备方法，可以在一定程度上净化铸锭，改善结晶度。
然而，电弧熔化过程中冷却速度低，容易导致粗晶粒的形成，对合金的性能和使用性能产生显着的不利影响。
与电弧熔化工艺相比，激光重熔或基于激光的增材制造（AM）方法可以提供超快的冷却速度（高达 10 4 ∼10 7 K/s），这有利于扩大极限固溶，细化晶粒，消除偏析，形成新的亚稳相并最终表现出优异的机械性能。
布里夫等人已经使用选择性激光熔化制造了FeCoCrNi 高熵合金。
沉积态 HEA 的屈服应力为 600 MPa，远高于铸态 HEA 的屈服应力 188 MPa。
此外，沉积态合金的延伸率为 32%，与铸态合金相当。
他们的工作表明，高冷却速率的工艺可以帮助 HEA 同时实现高强度和良好的塑性。
激光表面改性技术主要技术的特点讲解
课程：激光表面改性技术
主讲教师：林继兴
激光表面改性技术特点
教学目标 通过本次课程的学习，了解激光表面改性技术的特点与优点。
激光表面改性技术特点
与常规表面处理方法相比， 1、加热迅速、且有自淬火作用
1）激光束能量密度高，功率密度＞106W/cm2，0.001~0.01s内把工件加 热到1000 ℃以上。 2）当激光束离开加热区，冷的基体起到冷 却剂的作用，获得自淬火效果，冷却速度＞
6、操作简单、效率高
激光具有良好的远距离传输性能，激光器不一定要靠近工件，更
适合于自动化控制的高效流水线生产。
小 结
激光表面改性技术具有加热迅速，变形小，可现实局部 选区处理，通用性强，无污染，操作简单、效率高等特点。
作业思考题
1、激光熔覆表面改性技术具有哪些特点？ 2、为什么激光表面处理后组织要比感应加热、火焰加热或比感应、火焰、炉中整体加热更细
图1 激光重熔硬化示意图
激光表面改性技术特点
2、变形量小 1）激光加热时，聚焦工件表面，加热快而自淬火，无大量余热排放 2）应力、应变小，表面氧化及脱碳作用小
图2 激光相变强化组织
激光表面改性技术特点
3、可实现形状复杂零件的局部选区表面处理
许多零件需要耐热、耐腐蚀的工件仅局限于某一区域，其他 热处理方法很难做到局部处理。
图3轴类颈部激光熔覆
激光表面改性技术特点
4、通用性强 1）理论上，只要光能到达的地方，都可以处理。
窄深沟槽、拐角、盲孔、深孔、齿轮等感应、火焰加热难以实现的。 2）离较量在适当范围内功率密度相差不大，可以处理不规则或不平 整表面
图4 柴油机缸套激光淬火
激光表面改性技术特点
激光重熔强化工艺参数讲解
课程：激光表面改性技术
主讲教师：林继兴
激光重熔强化工艺参数
教学目标 通过本次课程的学习，掌握激光重熔强化工艺参数的选定
重熔强化工艺参数研究意义
影响激光重熔强化效果的因素： 1、激光重熔工艺参数 2、基材状态 3、激光器类型 激光重熔工艺参数： 激光器输出功率、扫描速度、光斑尺寸大小、搭接系数、气 体保护方式、工件表面状况
搭接系数合适的范围：5%~20%
气体保护方式
激光温度高，金属易氧化，会导致表面质量差、加工困难、破坏强化层
图3 不同的气体保护方式
a:同轴气流，b:筛孔罩式，c:中空式，d:侧向气流式，e:牵引式
工件表面质量
需处理的材料：表面粗糙度值很小的工件材料（如不锈钢、铝合
金、镁合金等）或精加工后的零件，光亮的表面对激光的反射率大幅 度提高，此时，激光熔凝处理前需对工件进行预处理。 表面预处理（又称为黑化处理）：在需要激光重熔的部位涂覆一 层对激光有较高吸收能力的覆层。 常用方法：磷化法、喷（刷）涂料法。
C：P=4.6kW，v=1000mm/min
F：P=3.6kW，v=1400mm/min
图2 不同工艺激光重熔外观形貌
搭接系数
1、搭接目的 单道扫描宽度有限，难以实现大面积工件重熔强化 2、搭接处性能影响 1）搭接处回火，硬度 2）搭接处残余奥氏体被细化、位错密度高，硬度 整体硬度是 还是 ，看哪项占主导
显相变硬化区，仅有热影响区； 3、当ρ很高， v极快时，温度梯度极大，可以获得极高的冷却速度， 表层条状熔化区很窄很浅，表面粗糙度很小。
不同工艺参数宏观形貌
A：P=2.2kW，v=1000mm/min
D：P=3.6kW，v=200mm/min
激光表面改性技术主要技术内容.
课程：激光表面改性技术
主讲教师：林继兴
激光表面改性技术内容
教学目标 通过本次课程的学习，了解激光表面改性技术主要内容与分类。
激光表面改性内容65Fra bibliotek2 1
3 4
图1 作用时间与功率密度对应的改性内容
激光表面改性内容与分类
激光表面改性技术简图
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
小 结
1、激光表面改性技术内容包括：激光相变硬化、激光表面熔化 处理，激光冲击硬化 2、激光表面熔化可分为：激光合金化、激光熔覆、激光重熔、 激光复合改性、激光上釉等
作业思考题
1、激光熔覆表面改性技术内容有哪些？ 2、激光相变硬化、激光熔覆、激光冲击硬化所需的激光功率密 度大小是怎么排序的？
激光相变硬化技术特性讲解
材料应力：热应力、组织应力， 金属表面不熔化，组织应力起
主要作用，表现为压应力
图2 45钢激光相变硬化后残余应力分布
激光相变硬化技术特性
4、可以对形状复杂和不能用常规方法处理的工件进行局部硬
化处理，也可以根据需要在同一个工件上的不同部位进行不同的硬
化处理。
图3 激光选区相变硬化
图4 整体热处理
激光相变硬化技术特性
5、工艺周期短，可自动化生产
6、无需冷却介质，环保
作业思考题
1、激光相变硬化具有哪些特性？ 2、激光相变硬化时，为什么不需要冷却介质？
1激光快冷快热生产效率高2激光相变硬化处理后硬度高耐磨性能好3变形小表面产生压应力疲劳性能好4可选区局部处理5工艺周期短可自动化生产6无需冷却介质环保作业思考题1激光相变硬化具有哪些特性
激光相变硬化技术特性
课程：激光表面改性技术
主讲教师：林继兴
激光相变硬化技术特性
教学目标 通过本次课程的学习，了解激光相变硬化技术优势与特性。
5、激光相变硬化工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计
Hale Waihona Puke 算机控制，自动化程度高，可纳入生产流水线。
6、激光相变硬化靠热量由表及里的传导自冷，无需冷却介质，
对环境无污染。
小 结
激光相变硬化的技术特性包括： 1、激光快冷、快热，生产效率高 2、激光相变硬化处理后，硬度高、耐磨性能好 3、变形小，表面产生压应力，疲劳性能好 4、可选区局部处理
激光相变硬化技术特性
1 、激光对工件表面的高速加热和高速冷却，加热速度可
104 ℃ /s~106 ℃ /s ，冷却速度可达 104 ℃ /s~108 ℃ /s ，有利于提高扫 描速度及相应的生产效率。
激光表面合金化表面熔凝熔覆的区别
激光表面合金化表面熔凝熔覆的区别摘要:激光表面合金化、激光熔凝和激光熔覆都是激光熔融处理技术，这三者之间既有区别，又有一定的相同点。
在使用过程中，我们要区分好它们之间的区别，以便我们正确地使用不同的技术来实现工艺要求。
关键词:表面激光合金化熔凝熔覆激光是由辐射受激发射产生的光，激光表面处理技术是采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术，是高能密度表面处理技术中的一种最主要的手段，它具有传统表面处理技术或其他高能密度表面处理技术不能或不易达到的特点。
激光表面处理技术工艺注意有激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击三类。
激光熔融又有激光表面合金化、激光表面熔凝和激光表面熔覆等用表面合金化的方法代替整体合金以节约金属资源一直是世界范围内材料工作者的重要研究内容之一。
激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，又改变其化学成分的激光表面处理技术。
它是用激光束将金属表面和外加合金元素一起熔化、混合后，迅速凝固在金属表面获得物理状态、组织结构和化学成分不同的新的合金层，从而提高表面层的耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。
激光表面合金化的主要优点是：激光能使难以接近的和局部的区域合金化；在快速处理中能有效地利用能量；利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度；能准确地控制功率密度和控制加热深度，从而减小形变。
就经济而言，可节约大量昂贵的合金元素，减少对稀有元素的使用。
激光合金化组织结构的主要特征与激光熔凝处理有相似之处，合金化区域具有细密的组织，成分近于均匀。
激光表面合金化所采用的工艺形式有预置法、硬质粒子喷射法和气相合金化法。
预置法是用沉积、电镀、离子注入、刷涂、渗层重熔、氧-乙炔和等离子喷涂、黏结剂涂覆等涂敷方法，将所要求的合金粉末事先涂敷在要合金化的材料表面，然后用激光加热熔化，在表面形成新的合金层。
该法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。
硬质粒子喷射法是在工件表面形成激光熔池的同时，从一喷嘴中吹入碳化物或氮化物等细粒，使粒子进入熔池得到合金化层。
激光机作业中的激光切割过程中的熔融与固化分析
激光机作业中的激光切割过程中的熔融与固化分析激光切割作为一种高精度、高效率的切割方法，广泛应用于工业生产中。
在激光切割过程中，材料经历了熔融和固化的过程。
本文将对激光切割中的熔融与固化进行分析，探讨其原理和影响因素。
一、激光切割中的熔融过程激光切割过程主要通过高能量密度的激光束，使材料表面受热并达到熔点以上温度，导致材料熔化。
熔融过程可以分为以下几个阶段：1. 材料表面吸收激光能量：激光束照射到工件表面时，其能量将被材料表面吸收。
该能量吸收过程决定了材料的加热速率和深度。
2. 加热和熔化：激光能量被吸收后，会迅速传递到材料内部，导致材料温度升高。
当温度达到材料的熔点时，材料开始熔化。
3. 液态流动：在熔融过程中，液态材料会因为激光束辐射力的作用而流动。
这种流动可以帮助将材料从切割区域移走，从而实现切割的目的。
二、激光切割中的固化过程在激光束停止照射后，切割区域的温度会迅速下降，导致熔融的材料固化。
固化过程可以分为以下几个阶段：1. 熔体凝固：当激光束停止照射后，熔化的材料开始冷却。
当温度降到材料的凝固点以下，熔体开始凝固成固体。
2. 结晶和晶界生长：在熔体凝固的过程中，材料中的原子会重新排列，形成均匀的晶体结构。
晶界是相邻晶体之间的界面，固化后的材料中晶界的性质对其性能起到重要影响。
3. 冷却收缩：在固化过程中，熔融材料凝固后会经历冷却收缩。
收缩率的大小与材料的种类及加工条件有关，需要合理控制以避免因收缩造成的不良影响。
三、激光切割中熔融与固化的影响因素激光切割中的熔融和固化过程受到多种因素的影响，以下列举几个重要因素：1. 激光功率与能量密度：激光功率和能量密度的大小决定了材料的加热速率和深度，直接影响熔化和固化过程的进行。
2. 感应时间：感应时间是指激光束照射到材料上后材料吸收能量所需的时间。
感应时间与材料的吸收率、光学性质等因素相关。
3. 激光束直径与焦点位置：激光束的直径和焦点位置会影响激光束的能量分布和加热范围，进而影响熔融和固化过程的进行。
激光相变硬化及激光熔覆技术可提高模具使用寿命
激光相变硬化及激光熔覆技术可提高模具使用寿命
张志鹏
【期刊名称】《模具制造》
【年(卷),期】2009(009)010
【摘要】介绍了激光相变硬化及激光熔覆技术的原理、性能及应用实例.
【总页数】7页(P4-10)
【作者】张志鹏
【作者单位】山东威海精工塑料包装有限公司,山东威海,214500
【正文语种】中文
【中图分类】TG178
【相关文献】
1.激光相变硬化提高模具寿命的探讨 [J], 徐洪烟;袁国定;周建忠;戴凤阳
2.应用激光相变硬化技术提高天车车轮的使用寿命 [J], 吕秀平;徐红艳;王世勇
3.应用激光相变硬化工艺技术提高尖轨使用寿命 [J], 尹维一
4.激光相变硬化提高模具寿命的探讨 [J], 徐洪烟;袁国定;周建忠;戴凤阳
5.模具及模具材料激光相变硬化的初步探索与实验 [J], 王秀彦;安国平;李栋;梁小兵
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等离子熔覆与激光熔覆的对比
激光熔覆最重要特点是热量集中，加热快冷却快热影响区小，特别对不同材质之间熔融有着其它热源无法比拟的特点，也正是这一特殊的加热和冷却过程，在熔铸区域产生的组织结构也不同于其它熔覆（喷焊·堆焊·普通焊接等）手段，甚至可以产生非晶态组织，特别是脉冲激光更为明显。
一、激光熔覆特点1. 技术特点激光熔覆最重要特点是热量集中，加热快冷却快热影响区小，特别对不同材质之间熔融有着其它热源无法比拟的特点，也正是这一特殊的加热和冷却过程，在熔铸区域产生的组织结构也不同于其它熔覆（喷焊·堆焊·普通焊接等）手段，甚至可以产生非晶态组织，特别是脉冲激光更为明显。
这就是所谓激光熔覆不变形无退火的原因。
但我以为这只是从工件整体宏观讲，而当你对熔覆层和热影响区进行微观分析时，你会看到另一种景象，这一点我将在后面讲到。
2. 设备特点等离子熔覆与激光熔覆的对比激光熔覆目前国内采用采用两种机型；CO2激光器，YAG激光器。
前者为连续输出，熔覆用机一般在3KW以上；YAG激光为脉冲输出，一般在600W左右。
对于设备，一般使用者很难吃透，严重依赖生产方的服务，购买价格昂贵，维护成本、零部件价格很高，再加上设备稳定性和耐受性与国外比较普遍都有差距。
因此激光熔覆机一般用在特殊领域，普通工业制造、维修领域难有效益。
3. 工艺特点等离子熔覆与激光熔覆的对比第一前期处理：激光熔覆一般只需将工件打磨干净，除油，除锈，去疲劳层等，比较简单。
第二送粉：CO2激光器功率较大，一般用氩气送粉；YAG激光功率小，一般用自然落粉的方式。
这两种方式在熔覆时都基本在水平位置形成熔池，倾斜稍大粉末便不能正常送达，激光的使用范围受到限制，特别是YAG激光器。
第三从熔池形成的状态看：由于激光的控制精度高，输出功率恒定，且没有电弧接触，所以熔池大小深度一致性好。
第四加热快冷却快：影响金属相形成的均匀度，也对排气浮渣不利，这也是造成激光熔覆形成气孔，硬度不均的重要原因，特别是YAG激光倾向更严重。
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激光相变硬化是由于激光作用在金属表面，发生了超快速相 的转变，使其表面出现晶粒细化、马氏体高位错密度、碳的固 溶度高等，从而获得高硬度。
加工质量
激光重熔表面质量相对较差、部分需要后续机加工
激光相变硬化不影响基材表面质量。图3 激光重熔表面质量
相同点
1、加热方式均为高能量激光束，具有快速加热、快速冷却的 优点； 2、都可以提高表面的硬度、耐磨性与耐蚀性； 3、为提高基材表面对光的吸收率，均采用磷化或喷（刷）涂 料法提高光吸收性能 4、可以局部处理，易实现自动化工业生产；
激光重熔与相变硬化的异同
课程：激光表面改性技术
主讲教师：林继兴
激光重熔与相变硬化的异同
教学目标 通过本次课程的学习，了解激光重熔强化与激光相变硬化 的区别与联系
激光工艺参数区别
激光重熔比激光相变硬化需要更高的功率密度、更长的作用 时间（扫描速度更慢） 激光重熔：液态 相变硬化：固态 固态 固态
图1 作用时间与功率密度对应的改性内容
表面改性层组织区别
激光重熔对基体的加热温度较激光相变硬化高，基体由表及 里形成温度梯度，因此，激光重熔包含激光相变硬化。
重熔区 相变区
热影响区
母材
图2 激光重熔组织
机理区别
激光重熔强化的理论基础是快速熔凝的凝固理论。
通过快速凝固，使固溶体晶体生长形态及溶质分布有所改 变，使其达到表面改性和减少原表面层缺陷的目的。
激光相变硬化哪个需要的激光功率大？为什么？
小 结
1、激光重熔比激光相变需要更高的功率密度、更长的工作 时间； 2、激光重熔组织包含相变硬化区 3、激光重熔的机理是凝固理论，相变强化是相的转变 4、激光重熔的表面质量不及相变硬化 5、他们都具有激光表面改性技术其余的共同特点。
作业思考题
1、激光重熔强化与激光相变硬化有哪些相同点与不同点？
2、当光斑尺寸、扫描速度一定的情况下，激光重熔强化与