激光表面处理-2024铝合金的激光表面处理
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• 铝及其合金具有高的比强度、导电导热、抗腐蚀等优良性 能；但是其硬度及耐磨性低，限制了它的应用。 • 激光诱导原位合成TiB2 、Ti3B4复合微粒增强金属基复合材 料，可显著提高AA2024铝合金的耐磨性。
18
• 材料和试样制备
AA2024铝合金的化学组成 成分 质量分数 （wt%） Cu 3.8-4.9 Mg 1.2-1.8 Mn 0.3-0.9 Zn 0.25 Al 余量
14
• 激光的振荡放大
粒子处于稳态能级
受激后实现粒子数反转 部分原子产生自发辐射
平行轴线的光子被反 复反射回工作物质， 激发更多的光子
谐振腔工作物质受激辐射与光放大过程
15
1.3 激光器
• 固体激光器：红宝石、Nd:YAG • 气体激光器：原子、分子、离子 • 液体激光器：染料激光器 • 新型激光器：光纤激光器、半导体激光器、 自由电子激光器、化学激光器
10
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
–更集成 各种通信用的激光 模块，往往包含十 几个甚至几十个半 导体激光器，并且 集成了调制、功率 检测、温度监测等 功能模块。
11
1.2 激光的发光机理
• 受激辐射与自发辐射
– 自发辐射（Spontaneous emission）
• 处于高能级E2的电子自发的向 较低能级E1跃迁，并发射一个能 量为 hν = E 2 − E1 的光子，这种过程称为自射。 • 自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各 个方向传播，是非相干光。
激光表面处理
---2024铝合金的激光表面处理
目录
1 激光概述
1.1 激光的发展与现状 1.2 激光的发光机理 1.3 激光器 1.4 激光表面处理技术
2 文献内容 3 未来研究方向 4 参考文献
2
1.1 激光的发展与现状
什么是激光？
激光：受激辐射谐振放大了的光。
激光有哪些特性？
• • • • 单色性 方向性 相干性 能量集中性
36
37
19
AA2020 标准 试样 （40mm×15mm ×15mm）
脱脂
丙酮清 洗
乙醇冲 洗
CO2激光 熔覆
手动混合粉末
粉末进给装置
熔池
20
• 结果与讨论
原位合成5个相中 有TiB2和Ti3B4的生 成，但两相的量很 难确定
21
涂层平均厚度0.4mm，基体与涂层无明显界面，说明界面有很好 的冶金结合
31
圆形小颗粒均匀分布表面，进一步推测可能是化学成分发生了变 化，这种变化可能也有利于提高界面结合
32
• 结论
• 1 激光表面处理在提高粘结断裂能方面与其 他方法相比有明显优势； • 2 通过对改性后微观及纳米形貌的研究，认 为基体与粘结剂结合为机械互锁，也可能 为化学健结合； • 3 指出下一步研究方向为界面结合的持久 性以及辐射表面化学改性的本质。
3
17世纪—对光的本性的探求：
• 微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛 顿； • 波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程， 惠更斯；
19世纪：
• 光的波动本性有了进一步发展，电磁场理论、 麦克斯韦方程组
4
• 19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够 解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振 和双折射等现象； • 然而到了20世纪初，出现了光电效应、黑 体辐射、光化学反应和康普顿散射等实验 现象，这些涉及到光与物质相互作用时能 量与动量交换特征的就无法用当时的经典 理论来解释。
12
–受激吸收
• 处于低能级E1的一个电子，在 频率为ν 的辐射场作用（激励） 下，向E2能级跃迁并吸收一个 能量为hν 的光子，这一过程称 为受激吸收。
• 受激吸收是实现粒子数反转的 条件，为受激辐射做好准备。
13
– 受激辐射
• 处于激发态E2的粒子在外 界因素的诱发和刺激下 向低能态E1跃迁，同时辐 射一光子，处于高能态E2 的粒子会在这个光子的 刺激下向低能级E1跃迁， 并同时辐射出一个频率、 传播方向、振动方向均 与外来光子相同的光子。
27
• 2.2激光表面处理提高铝合金结构连结的粘附性
28
29
a、b、c随着能量密度的增加，断裂能增加，被认为是形成的表 面纹理结构，增加了机械健合的比表面积和结合点。
f可以看出实际透光率比名义透光率低？
30
a-b和d-e随能量密度的增加，气孔和水珠状颗粒增加 且均匀分布
C和f表面有明显的起伏，表面积大大增加
5
1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了 光电效应等现象，并因此获得1921年诺贝尔物理学 奖；从此，光的波粒二象性 成为光学理论中最 重要和著名的理论学说。
光波的描述
6
• 1917年，爱因斯坦在研究光的辐射过程中，提出 了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础； • 突破
– 1958年肖洛和汤斯提出了实现受激辐射的必要条件 ； 1958 标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。 – 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的 红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的 世界上第一台激光器。
22
富Ti Al3Fe Al3Ti
23
黑白相间的两相为TiB2和Ti3B4
24
最高硬度出现在亚表面？
“浓度”与“稀释”两个机制相互作用的结果；
25
随着Ti+Fe coated B ↗ ，磨损量↘；试样E的磨损量是AA2024合 金的1/15.
26
• 结论 • 1. 涂层的微观结构由TiB2, Ti3B4, Al3Ti, Al3Fe and a-Al五相构成；其中TiB2, Ti3B4 为硬质相，随着Ti+Fe coated B 的增加， TiB2、 Ti3B4增加，耐磨性增加。 • 2.试样E的磨损量是AA2024合金的1/15，说 明激光原位合成TiB2, Ti3B4是提高基体耐 磨性的有效途径。
35
• 参考文献
• Jiang Xu , Wenjin Liu, Yide Kan, Minlin Zhong. Microstructure and wear properties of laser claddingTi–Al–Fe–B coatings on AA2024 aluminum alloy.Materials and Design 27 (2006) 405–410 • Chiara Spadaro, Carmelo Sunseri, Clelia Dispenza.Laser surface treatments for adhesion improvement of aluminium alloys structural joints. Radiation Physics and Chemistry 76 (2007) 1441–1446 • 陈岁元，刘常升.材料的激光制备与处理技术. 北京：冶金工业出版社 , 2006.12
16
1.4 激光表面技术
• 激光表面强化技术
• • • • 激光相变硬化 激光表面合金化 激光熔凝 激光冲击硬化
• 其他激光表面技术
• • • • • 激光气相沉积 激光化学热处理 激光非晶化 激光毛化 激光清洗
17
2 文献内容
2.1 AA2024铝合金激光涂覆Ti–Al–Fe–B涂层的 微结构和耐磨性研究
33
3. 未来的研究方向
• 激光表面改性技术是一项高新技术，近些年来发 展很快，用于金属结构材料，可提高制品的性能 和使用寿命，已获得巨大的经济效益。这项高新 技术的进一步发展，可望在更多的领域大显身手。
• 未来的研究可以分成以下几个方面
第一，激光烧蚀。 除油脱脂预处理；成本低、环境友好的 除漆方法；清除硅晶片表面的光刻胶； 第二，激光冲击加工。 激光冲击硬化提高使用性能；提高 致密或多孔金属材料表面的力学性能；
8
• 发展
– 更大 • 为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工 作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。 • 现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点 火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰 值功率达到1015W。
9
– 更小
• 各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者 半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；
7
– 1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第 一台四能级固体激光器； – 1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和 Herriott制成了第一台氦氖气体激光器； – 1962年，GaAs半导体激光器； – 1963年，液体激光器； – 1964年，CO2激光器； – 1964年，离子激光器； – 1964年，Nd：YAG固体激光器； – 1965年，HCl化学激光器； – 1966年，生物染料激光器；
34
第三，激光渗碳、硼、金属。激光渗碳和传统的体 渗碳相比较，突出的优点是工艺时间非常短。激光 渗金属的特点是渗透层合金元素的浓度大大超过其 平衡浓度。 第四，激光改性与常规热处理复合。 第五，激光改性与离子注入改性复合。 第六，激光与等离子复合的表面改性。 可以预期，随着人们对于各种激光与材料相互作 用的研究和认识的深化，以及工艺研究的进展，不 仅现有各种新方法会逐步完善和实用化而且必将不 断地出现更多的材料表面激光改性新技术。
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• 材料和试样制备
AA2024铝合金的化学组成 成分 质量分数 （wt%） Cu 3.8-4.9 Mg 1.2-1.8 Mn 0.3-0.9 Zn 0.25 Al 余量
14
• 激光的振荡放大
粒子处于稳态能级
受激后实现粒子数反转 部分原子产生自发辐射
平行轴线的光子被反 复反射回工作物质， 激发更多的光子
谐振腔工作物质受激辐射与光放大过程
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1.3 激光器
• 固体激光器：红宝石、Nd:YAG • 气体激光器：原子、分子、离子 • 液体激光器：染料激光器 • 新型激光器：光纤激光器、半导体激光器、 自由电子激光器、化学激光器
10
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
–更集成 各种通信用的激光 模块，往往包含十 几个甚至几十个半 导体激光器，并且 集成了调制、功率 检测、温度监测等 功能模块。
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1.2 激光的发光机理
• 受激辐射与自发辐射
– 自发辐射（Spontaneous emission）
• 处于高能级E2的电子自发的向 较低能级E1跃迁，并发射一个能 量为 hν = E 2 − E1 的光子，这种过程称为自射。 • 自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各 个方向传播，是非相干光。
激光表面处理
---2024铝合金的激光表面处理
目录
1 激光概述
1.1 激光的发展与现状 1.2 激光的发光机理 1.3 激光器 1.4 激光表面处理技术
2 文献内容 3 未来研究方向 4 参考文献
2
1.1 激光的发展与现状
什么是激光？
激光：受激辐射谐振放大了的光。
激光有哪些特性？
• • • • 单色性 方向性 相干性 能量集中性
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AA2020 标准 试样 （40mm×15mm ×15mm）
脱脂
丙酮清 洗
乙醇冲 洗
CO2激光 熔覆
手动混合粉末
粉末进给装置
熔池
20
• 结果与讨论
原位合成5个相中 有TiB2和Ti3B4的生 成，但两相的量很 难确定
21
涂层平均厚度0.4mm，基体与涂层无明显界面，说明界面有很好 的冶金结合
31
圆形小颗粒均匀分布表面，进一步推测可能是化学成分发生了变 化，这种变化可能也有利于提高界面结合
32
• 结论
• 1 激光表面处理在提高粘结断裂能方面与其 他方法相比有明显优势； • 2 通过对改性后微观及纳米形貌的研究，认 为基体与粘结剂结合为机械互锁，也可能 为化学健结合； • 3 指出下一步研究方向为界面结合的持久 性以及辐射表面化学改性的本质。
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17世纪—对光的本性的探求：
• 微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛 顿； • 波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程， 惠更斯；
19世纪：
• 光的波动本性有了进一步发展，电磁场理论、 麦克斯韦方程组
4
• 19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够 解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振 和双折射等现象； • 然而到了20世纪初，出现了光电效应、黑 体辐射、光化学反应和康普顿散射等实验 现象，这些涉及到光与物质相互作用时能 量与动量交换特征的就无法用当时的经典 理论来解释。
12
–受激吸收
• 处于低能级E1的一个电子，在 频率为ν 的辐射场作用（激励） 下，向E2能级跃迁并吸收一个 能量为hν 的光子，这一过程称 为受激吸收。
• 受激吸收是实现粒子数反转的 条件，为受激辐射做好准备。
13
– 受激辐射
• 处于激发态E2的粒子在外 界因素的诱发和刺激下 向低能态E1跃迁，同时辐 射一光子，处于高能态E2 的粒子会在这个光子的 刺激下向低能级E1跃迁， 并同时辐射出一个频率、 传播方向、振动方向均 与外来光子相同的光子。
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• 2.2激光表面处理提高铝合金结构连结的粘附性
28
29
a、b、c随着能量密度的增加，断裂能增加，被认为是形成的表 面纹理结构，增加了机械健合的比表面积和结合点。
f可以看出实际透光率比名义透光率低？
30
a-b和d-e随能量密度的增加，气孔和水珠状颗粒增加 且均匀分布
C和f表面有明显的起伏，表面积大大增加
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1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了 光电效应等现象，并因此获得1921年诺贝尔物理学 奖；从此，光的波粒二象性 成为光学理论中最 重要和著名的理论学说。
光波的描述
6
• 1917年，爱因斯坦在研究光的辐射过程中，提出 了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础； • 突破
– 1958年肖洛和汤斯提出了实现受激辐射的必要条件 ； 1958 标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。 – 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的 红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的 世界上第一台激光器。
22
富Ti Al3Fe Al3Ti
23
黑白相间的两相为TiB2和Ti3B4
24
最高硬度出现在亚表面？
“浓度”与“稀释”两个机制相互作用的结果；
25
随着Ti+Fe coated B ↗ ，磨损量↘；试样E的磨损量是AA2024合 金的1/15.
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• 结论 • 1. 涂层的微观结构由TiB2, Ti3B4, Al3Ti, Al3Fe and a-Al五相构成；其中TiB2, Ti3B4 为硬质相，随着Ti+Fe coated B 的增加， TiB2、 Ti3B4增加，耐磨性增加。 • 2.试样E的磨损量是AA2024合金的1/15，说 明激光原位合成TiB2, Ti3B4是提高基体耐 磨性的有效途径。
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• 参考文献
• Jiang Xu , Wenjin Liu, Yide Kan, Minlin Zhong. Microstructure and wear properties of laser claddingTi–Al–Fe–B coatings on AA2024 aluminum alloy.Materials and Design 27 (2006) 405–410 • Chiara Spadaro, Carmelo Sunseri, Clelia Dispenza.Laser surface treatments for adhesion improvement of aluminium alloys structural joints. Radiation Physics and Chemistry 76 (2007) 1441–1446 • 陈岁元，刘常升.材料的激光制备与处理技术. 北京：冶金工业出版社 , 2006.12
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1.4 激光表面技术
• 激光表面强化技术
• • • • 激光相变硬化 激光表面合金化 激光熔凝 激光冲击硬化
• 其他激光表面技术
• • • • • 激光气相沉积 激光化学热处理 激光非晶化 激光毛化 激光清洗
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2 文献内容
2.1 AA2024铝合金激光涂覆Ti–Al–Fe–B涂层的 微结构和耐磨性研究
33
3. 未来的研究方向
• 激光表面改性技术是一项高新技术，近些年来发 展很快，用于金属结构材料，可提高制品的性能 和使用寿命，已获得巨大的经济效益。这项高新 技术的进一步发展，可望在更多的领域大显身手。
• 未来的研究可以分成以下几个方面
第一，激光烧蚀。 除油脱脂预处理；成本低、环境友好的 除漆方法；清除硅晶片表面的光刻胶； 第二，激光冲击加工。 激光冲击硬化提高使用性能；提高 致密或多孔金属材料表面的力学性能；
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• 发展
– 更大 • 为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工 作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。 • 现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点 火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰 值功率达到1015W。
9
– 更小
• 各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者 半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；
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– 1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第 一台四能级固体激光器； – 1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和 Herriott制成了第一台氦氖气体激光器； – 1962年，GaAs半导体激光器； – 1963年，液体激光器； – 1964年，CO2激光器； – 1964年，离子激光器； – 1964年，Nd：YAG固体激光器； – 1965年，HCl化学激光器； – 1966年，生物染料激光器；
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第三，激光渗碳、硼、金属。激光渗碳和传统的体 渗碳相比较，突出的优点是工艺时间非常短。激光 渗金属的特点是渗透层合金元素的浓度大大超过其 平衡浓度。 第四，激光改性与常规热处理复合。 第五，激光改性与离子注入改性复合。 第六，激光与等离子复合的表面改性。 可以预期，随着人们对于各种激光与材料相互作 用的研究和认识的深化，以及工艺研究的进展，不 仅现有各种新方法会逐步完善和实用化而且必将不 断地出现更多的材料表面激光改性新技术。