激光表面处理概论

激光表面处理技术概论

(昆明理工大学,云南省 昆明市,邮编650000)

摘 要:本文简述了激光表面处理技术的原理,重点总结了激光表面处理的应用和发展现状,其应用领域主要包括以下几个:激光表面淬火，激光硬化,激光表面合金化,激光熔覆等。并在此基础上对激光表面处理技术的发展前景做出展望。

关键词：激光表面处理；激光硬化；激光表面合金化；激光熔覆

Laser surface treatment technology

(Kunming University of Science and

Technology,YunNan,Kunming,650000,China)

Abstract:This paper describes the principle of laser surface treatment technology, summarized the application and development of laser surface present situation .Its areas of application include the following: laser surface quenching，laser hardening, laser surface alloying, laser cladding and so on. And on that basis give out the development status and prospects of laser surface treatment technology.

Keywords: laser surface quenching; laser hardening; laser surface alloying; laser cladding

0 引言

利用激光束对材料表面进行改性的技术是近3O年来迅速发展起来的材料表面处理新技术，其原理就是利用激光束作为热源，通过改变材料表面的局部成分或结构，实现对材料的局部表面改性，提高材料(零部件)的抗疲劳、磨损及腐蚀等性能的一门技术，是改善金属材料表层物理和力学性能的加工方法。包括激光相变硬化、表面熔覆、表面合金化、激光非晶化、激光化学气相沉积、激光物理气相沉积，以及激光冲击改性技术等。激光表面改性技术共同的特点是：能源的能量密度特别高，非接触式加热，热影响区小，对工件基材的性能及尺寸影响小，工艺可控性强，便于实现计算机控制。近年来，随着材料表面性能要求的进一步提高，新能源技术逐步完善，激光处理技术的应用领域越来越广阔。

1 激光表面处理的原理

激光是一种相位一致，波长一定，方向性极强的电磁波，激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光(直径只有

0.1mm)，从而可以获得极高的功率密度(10^4-10^9W/cm^2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。随着大功率激光器出现，以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域.

2 激光表面技术及其应用

2.1激光表面淬火

激光淬火又称为激光相变硬化，是指以高能密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体，经随后的快速冷却，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术。

其主要特点有：

(1)材料表面的高速加热和高速自冷。加热速度可达l0^4-

l0^9℃/s。冷却速度可达l0^4℃/s。这就有利于提高扫描速度及相应的生产率。

(2)激光淬火处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高5％-20％。可获得极细的硬化层组织。

(3)由于激光加热速度快，因而热影响区小,淬火应力及变形小。一股认为激光淬火处理几乎不产生变形，而且相变硬化可以使表面产生大于4 000 MPa的压应力，有助于提高零件的疲劳强度：但厚度小于5mm的零件其变形仍不可忽视。

(4)可以对形状复杂的零件和不能用其它常规方法处理的零件进行局部硬化处理。如具有沟槽的零件。

(5)激光淬火工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制。自功化程度高。可纳入生产流水线。

(6)激光淬火靠热量由表及里的传导自冷。无需冷却介质。对环境无污染。

激光表面淬火应用

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等。

2.2激光表面熔敷

激光表面熔敷技术是在激光束作用下，将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却的一种表面强化方法。

具有以下特点

(1)冷却速度快(高达l0^6 K/s)。组织具有快速凝固的典型特征。

(2)热输入和畸变较小，涂层稀释率低（一般小于5％)，与基体呈冶

金结合。

(3)粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金。

(4)能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比。

(5)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷。

(6)工艺过程易于实现自动化。

激光表面熔敷应用

近年来，激光熔敷技术得到了迅速的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论上的支持和实践的需要，激光熔敷技术在工业化上迈出了巨大的一步，其应用领域非常宽，它可以用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。在刀具、模具、阀体上熔敷陶瓷层已获得广泛的应用。此外。对灰铸铁的汽车发动机排气阀进行加Cr的激光合金化熔敷，合金层硬度可达

60HRC，节约成本80％。在Cu上熔敷Ag作为电接触材料也是激光熔敷的重要应用。

2.3激光表面合金化

激光表面合金化是采用激光加热，使金属表面合金化，以改变其化学成分、组织和性能的方法。它是利用激光辐照来加热工件，并使之熔化至所需深度。添加适当的合金元素可改变基材的表面组织，形成新的非平衡微观结构，从而提高材料的耐磨损、耐疲劳和耐腐蚀性能。

激光表面合金化分类

通常按照合金的加入方式，分成3类：预制式激光合金化、送粉式激光合金化和气体激光合金化。预制式激光合金化就是把要添加的合金元素先置于基材合金化部分，然后再激光辐照熔化形成新的合金层。送粉式激光合金化就是采用送粉装置将添加的合金粉末直接送人基材表面，使添加的合金元素和激光熔化同步完成。气体激光合金化是将基材置于适当的气体氛围中，使激光辐照的部位从气氛中吸收碳、氢等并与之化合，实现表面合金化。由于激光合金化的熔凝过程极为迅速，以及溶质

元素主要靠对流混合实现均匀化的特点，因此从理论上来说，激光合金化就可以相应地提供常规方法难以获得的、性能更为优越的合金的可能性。

激光表面合金化的应用

目前，在工业应用中已经开始使用这种表面处理技术。例如：在氮气中熔化钛(Ti)，这种激光氮化法可在毫秒级的时间完成，形成硬度和熔点都很高的TiN，从而大幅度改善、提高表面的硬度和耐磨性及耐腐蚀性能。激光合金化技术比较适合用于零件的重要部位，如模具的刀刃，合金化处理后的刀片，一次刃磨寿命比最佳产品平均提高3倍左右，且刀刃不崩、不卷、不折断，稍加磨刃可继续使用。这种方法不仅增加了工件的寿命和疲劳强度，而且简化了工艺，节约了合金元素。

2.4 激光冲击硬化

激光硬化是快速表面局部淬火工艺的一种高新技术。激光硬化一般分为3种工艺：激光相变硬化、激光熔化凝固硬化和激光冲击硬化。它们共同的理论基础是激光与材料相互作用的规律。3种工艺的区别主要是作用于材料上的激光能量密度不同，并且与激光作用于材料上的时间有关。原理是把激光辐照引向材料；吸收激光能量并把光能传给材料；光能转变为热能，加热材料达到快速加热、快速冷却、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破坏；材料在激光辐照后的相变(激光相变硬化)或熔化凝固(激光熔化凝固硬化)或冲击产生品格畸变及位错(激光冲击硬化)，最终达到硬化效果。

激光表面硬化与常规的硬化工艺比较，其主要特点有：

(1)材料表面高速加热和高速自冷，加热速度快，热影响区小，应力及变形小，有利于提高加工效率。

(2)激光硬化处理后的器件表面硬度高，比常规淬火要高5%-20%。

(3)可加工常规无法处理的形状复杂的零件，还可对同一零件的不同部位进行不同的激光硬化处理。

(4)激光硬化工艺周期短、生产效率高、工艺过程易实现计算机控

制、自动化程度高、可纳入生产流水线。

(5)激光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。

激光冲击硬化的应用优点

激光硬化可满足低变形表面强化要求，可以大幅度提高产品质量，成倍地延长产品的使用寿命，这种方法主要用于强化零件的表面，可以提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。

3 结语与展望

随着时代的进步和发展，激光表面处理技术在各个行业中都得到了应用，尤其在建筑、交通、化工等方面的应用更为突出。激光表面处理技术的推广和应用在一定程度上推动了金属表面处理技术的发展，在未来会有更广阔的应用前景。因此，利用激光表面处理技术在金属材料的表面合成非常规的成分合金工艺，可能会使金属材料的表面

处理技术和表层性能得到改善，这将是一种独特的有效途径。

目前 激光表面改性还存在一定的问题．主要体现为：

(1)当前对激光表面改性所做的试验研究中，由于试验条件和状态的不同，所得到的试验结果很少能应用到实际生产中。

(2)激光熔覆层或合金化层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍。

(3)在激光表面改性中，当大面积扫描时，由于扫描方式的不同存在硬度不均或回火现象。

(4)．对一些处理面积大、形状更复杂的工件进行激光处理，要求能够研制出新的高功率激光器，同时能发展辅助设备如光束成形等。

尽管这些改进这些问题的工作是相当艰巨的，但是促进高质量、低成本的材料表面改性技术的发展，提高企业的经济效益，已成为工业发展的重要方向之一，因而在工业应用中具有巨大的潜力。

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