激光表面处理概论
激光表面处理课件
控制系统
控制系统用于控制激光器的输出功率、扫描速度和处理时 间等参数，以确保处理过程的稳定性和可重复性。
激光表面处理材料
金属材料
金属材料是激光表面处理的主要应用领域之一，包括钢铁、铝、铜等。通过激 光表面处理可以改变金属材料的表面特性，提高其耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳 性能等。
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模具工业
激光表面处理用于提高模具表面的硬 度、耐磨性、耐腐蚀性，延长模具使 用寿命。
刀具工业
激光表面处理用于提高刀具表面的硬 度、耐磨性、耐腐蚀性，提高切削加 工效率。
02
激光表面处理技术分类
激光熔覆
熔覆材料
选择熔覆材料时，需要考 虑其与基材的相容性、熔 点、稀释率等因素。
熔覆层组织
熔覆层的组织结构取决于 熔覆材料、工艺参数以及 基材特性。
涂层厚度
涂层的厚度需要根据使用要求和 工艺参数来确定。
涂层附着力
涂层与基材之间的附着力对涂层 的寿命和性能有重要影响。
03
激光表面处理设备与材料
激光表面处理设备
激光器
激光器是激光表面处理技术的核心设备，其性能直接影响 处理效果。常见的激光器类型包括CO2激光器、光纤激光 器和固体激光器等。
加工头
表面处理
02
根据需求，对工件表面进行抛光、涂覆等处理，提高表面质量
。
质量检测
03
对加工后的工件进行质量检测，确保符合要求。
05
激光表面处理质量检测与评估
激光表面处理质量检测方法
光学检测法
利用光学原理，通过反射、散射等手段检测 表面形貌、粗糙度等参数。
激光表面处理-2024铝合金的激光表面处理
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。
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。
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• • • • • 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
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；
激光表面处理的原理
激光表面处理的原理
激光表面处理是一种利用激光能量对工件表面进行物理或化学改变的技术。
其原理主要包括光照作用、能量传递和化学反应三个方面。
首先，光照作用是指激光光束照射到材料表面时，光子与材料表面原子或分子之间发生相互作用。
激光光子具有较大的能量和较短的波长，能够激发材料表面的电子跃迁，使得原子和分子处于激发态。
这些激发态的原子和分子会产生吸收、散射、透射等现象，从而引起材料表面的物理变化。
其次，能量传递是指激光能量在材料表面的传递过程。
激光光束在照射材料表面时，会被部分吸收。
吸收的能量会被材料内部的原子或分子吸收，使其产生热传导现象，使材料表面温度升高。
随着激光能量的传递，材料表面的温度会发生变化，从而引起材料的热效应。
最后，化学反应是指激光能量在材料表面引起的化学变化。
激光能量的高浓度聚集会导致材料表面的局部温度升高，达到化学反应的临界温度，从而促使材料表面的化学反应发生。
这些化学反应包括热化学反应、光化学反应、气氛反应等，能够改变材料表面的化学成分、组织结构和物理性能。
综上所述，激光表面处理技术通过光照作用、能量传递和化学反应等方式，实现对材料表面的物理或化学改变，从而达到改善材料表面性能、增强材料耐磨性、增加材料附着力等目的。
激光机作业中的激光清洗与表面处理技术
激光机作业中的激光清洗与表面处理技术激光清洗与表面处理技术，作为现代激光机作业中的重要组成部分，已经在多个领域得到广泛应用。
激光清洗技术利用激光束的高浓度能量，以非接触方式清除表面的污垢和涂层，具有高效、无损伤和环保等优点。
而激光表面处理技术则可通过调节激光束的参数，实现对材料表面的改性和功能化。
本文将从激光清洗和激光表面处理两个方面介绍其原理、应用以及未来发展方向。
一、激光清洗技术激光清洗技术是利用激光束的高能量密度，将污垢或涂层表面加热瞬间蒸发或熔化，实现无接触地去除。
相比传统清洗方法，激光清洗具有以下优势：1. 高效能：激光束能量密度高，可以快速实现表面清洗，提高作业效率。
2. 无损伤：激光清洗过程中不会对物体表面造成磨损或刮伤，保持材料的原有性能。
3. 环保节能：激光清洗无需使用化学清洗剂，减少了对环境的污染，并且节约了能源资源。
激光清洗技术在多个领域得到了应用，如汽车维修领域中的发动机零件清洗、电子设备制造中的PCB板清洗以及文物保护中的古籍清洗等。
随着激光技术的不断提升和创新，激光清洗技术的应用领域还将进一步扩展。
二、激光表面处理技术激光表面处理技术是指利用激光束对材料表面进行能量输入，实现表面的改性和功能化。
通过调节激光束的参数（能量、功率、波长等），可以实现表面的熔化、蒸发、热化学反应等效应，从而改善材料的性能和功能。
激光表面处理技术的主要应用包括：1. 材料表面改性：激光束的能量输入可以改变材料表面的组织结构，提高材料的硬度、耐磨性等性能。
2. 表面合金化：通过激光加热，将外加的合金元素与基体材料进行熔合，形成硬度高、耐腐蚀的合金表面。
3. 表面纳米结构形成：激光可在材料表面形成纳米颗粒或纳米结构，改变表面的光学特性、润湿性等。
激光表面处理技术的应用领域广泛，如航空航天领域中的发动机叶片涂层、光学玻璃表面处理、生物医学材料的改性等。
随着激光技术的不断发展，激光表面处理技术将进一步加强材料与激光的相互作用，探索更多新的应用领域。
激光表面处理技术
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。
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。
激光表面熔敷特点
( 1) 冷却速度快(高达106 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；
激光表面处理技术优 点
( 5) 通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理 较厚的板材；
( 6) 由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的 安全，因此要致力于发展安全设施。
激光表面处理技术
美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载 齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。
----直升飞机辅助动力装置的行星齿轮 ----飞机主传动装置的传动齿轮 用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后 研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。 ----采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比 氮化处理快14倍，且所得到的硬化层比经过 10～20h氮化处理的硬化层还厚，质量优 良，几乎无变形。
下优点:
激光表面处理技术优 点
( 1) 能量传递方便，可以对被处理工件表面有 选择的局部强化；
( 2) 能量作用集中，加工时间短，热影响区小， 激光处理后，工件变形小；
激光表面处理技术优 点
( 3) 处理表面形状复杂的工件，而且容易实 现自动化生产线；
激光表面处理
激光的特征
▪ 2、亮度高 所谓亮度，是光源在单位面积上向某一方向 的单位立体角内发射的光功率。亮度与发光 面积与光源的发散角成反比，与发射的功率 成正比。激光束的面积比普通光源的发光面 积小得多。激光的发散角是普通光源的几百 万分之一，所以亮度很高。至今为止，只有 氢弹爆炸的瞬间所产生的闪光，才可与之相 比。
能。
Fe基材料： 105W/cm2，1.855ms达到升华温度 107W/cm2，0.186μs达到升华温度
2
激光技术
激光(laser)一词来源于译音 “莱塞”港、台、澳 等地称为“镭射”。原意是受激辐射的光放大。 1964年，我国科学家钱学森教授建议把当时流行 的“莱塞”、和“光量子放大器”等名称统一起 来，定名为“激光”，一直沿用至今。激光的最 初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文 名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。 意思是“受激辐射的光放大”。也就是说，激光 是一种光，是一种受激辐射产生的光放大。
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激光加工的特点
▪ 不需要加工工具，不存在工具损耗 ▪ 几乎能加工所有的材料（对透明材料，采取
色化和打毛措施，仍可加工） ▪ 加工速度快、效率高、热影响区小 ▪ 适应于加工深的微孔、窄缝直径可小至几个
微米
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激光表面处理的特点
▪ 改性层有足够的厚度（0.1~1.0mm） ▪ 结合状态好。改性层内部及与基体材料之间是致密
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激光与普通光的区别
▪ 激光的发光机理与普通光有很大不同。普通光是由 自发辐射产生的，而激光是由发射放大而产生的。 自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调，不仅 辐射出的光子有先有后，波长有长有短，而是传播 方向也不一致，射向四面八方。物理学上把自发辐 射产生的光称为非相干光。受激辐射产生的光子在 频率、相位、振动方向和传播方向上均与诱发光子 完全相同。这种受激辐射产生的光称为相干光。受 激辐射会产生光放大效应：受激辐射过程产生并放 大的光，就是激光。可见，受激辐射放大就是激光 产生的机理。
激光加工4表面处理
2.5
100
2.0
Weight loss (mg)
80
Microhardness (HV0.1)
1000
800
Weight loss (mg)
1.5 1.0 0.5 0.0
60
600
40
400
20
200
Ni60+15%WC X+10%TiN
X+20%TiN
X+30%TiN
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0.1 and 2 mm thick, while avoiding evaporation.
These requirements limit the ranges of processing parameters as well as the type of laser that can be used.
the coating material and a thin layer of the substrate to form a pore- and crack- free
coating 0.1 mm ~ 2 mm thick with low dilution that is perfectly bonded to the substrate. Advantages of Laser cladding : • Thickness: 0.1 mm ~ 2 mm
合金等；添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。
三、表面合金化
研究重点有如下四个方面。 1）工艺研究。包括工艺方法、合金元素和工艺参数（激光光斑形状与 尺寸、功率、扫描速度等）的选配等研究工作。
激光表面处理
作用过程
• 高能量(104-105w/cm2)激光束快速扫描工 件，工件表面极快升温到高于相变点低于 熔化温度；光束离开后，冷态基体的热传 导使被加热区迅速冷却而产生自淬火；
• 快速加热和快速冷却 组织细、硬度高 • 加热速度高达：105－106℃/s • 冷却速度高达：105 ℃/s
Laser Materials Processing-WCM
硬度沿宽度方向分布
• 光斑的塔接造成
硬度
• 理想的匀强光斑产 生的回火软化区比
高斯光斑小
位置
Laser Materials Processing-WCM
2. 疲劳强度：相变硬化、马氏体转变过 程产生体积膨胀，膨胀受到基体的制 约产生残余压应力，压应力使疲劳强 度增大
– 玻璃的阻抗高，但装夹困难且碎片难以收集 – 水操作方便
Laser Materials Processing-WCM
存在的主要问题
• 激光冲击效果的无损检测。目前测表面残 余压应力主要使用X 射线衍射仪,这种方法 设备昂贵,需由专业人员操作,只适合实验室 使用。
• 新型约束层的选择研究。 • 冲击参数的优化研究。 • 高能量、高频率激光器的研制。
张力梯度主要取决于
∂σ
∂y
=
−cp
(1+
In
T T0
)
∂T ∂y
•熔池温度 •温度梯度 上述两者又是功率密度、
作用时间的函数
式中：c p为比热；T0为表面焓的参考温度 •对 流 强 度 主 要 取 决 于 功
率密度
T为熔池温度; σ为表面张力；
•对 流 循 环 次 数 取 决 于 交
y为熔池横截面坐标
激光表面处理技术在制造业中的应用
激光表面处理技术在制造业中的应用一、激光表面处理技术简介激光表面处理技术（LSP）是一种采用激光作为能量源，对金属表面进行加工，通过物理或化学反应改变表面形态、结构和性能的新型表面处理技术。
与常规的机械加工、化学处理等表面处理方法相比，LSP技术具有精度高、速度快、成本低等优点，被广泛应用于汽车、航空航天、电子、生物医药等制造业领域。
二、激光表面处理技术的应用1.微加工制作模具LSP技术可以在金属表面上制造各种微细结构和小孔，用于模具加工。
激光微细加工技术可将激光聚焦在锅底的特定位置进行加工，因此可以制作出具有高几何形状精度的微细结构。
该方法能够制作出更细致、更复杂的产品，而且生产效率高、成本低，增强了制造业的竞争力。
2.表面改性处理LSP技术可通过改变材料表面形态和结构以及化学反应来改善金属的表面性能。
通过表面处理后基材表面的粗糙度、耐磨性、抗腐蚀性及润滑性等性能得到了显著的提升，解决了一些传统的表面改性方法所存在的问题。
因此，LSP技术广泛应用于汽车、航空航天等制造业领域。
3.薄膜生长LSP技术已经被广泛应用于化学气相沉积（CVD）和分子束外延（MBE）等化学制备过程的表面改性。
在这些过程中，激光作为一种热能源被应用于催化剂的制备、表面清洗以及形成薄膜过程中的化学反应。
4.叠加制造LSP技术还可以用于材料的叠加制造。
通过在材料表面熔化部分或全部金属粉末，可以得到具有高质量的3D叠加物。
利用激光作为加热源，利用粉末喷射头沉积金属粉末，构建三维形状的零件。
该方法能够制造更为复杂的产品，能够解决传统的制造方法所存在的缺陷。
三、结语随着制造业的快速发展，需要更高品质的产品，而激光表面处理技术的发展随着产业的发展得到了广泛应用。
LSP技术涉及了化学、物理、热力学和传热学等学科，是一种非常重要的表面处理方法。
未来，LSP技术将不断被改进和完善，满足制造业的需求，使制造业更加高效、快捷和环保。
《激光表面处》课件
05
CATALOGUE
激光表面处理质量检测与评价
激光表面处理的缺陷与检测方法
表面粗糙度
采用表面粗糙度测量仪进行检测，了解表面 微观形貌。
裂纹
通过目视或放大镜观察表面是否存在裂纹， 必要时可采用无损检测技术。
气孔与夹杂
采用金相显微镜观察表面是否存在气孔和夹 杂物。
硬度不均
采用硬度计检测表面硬度的分布情况，确保 处理均匀。
激光表面处理与其他先进技术的结合
01 02 03
激光表面处理与纳米技术的结合
纳米技术是一种新兴的技术领域，具有巨大的应用潜力。 将激光表面处理技术与纳米技术相结合，可以实现纳米材 料在金属表面的可控沉积和修饰，进一步提高材料的性能 和功能。
激光表面处理与等离子喷涂技术的结合
等离子喷涂技术是一种常用的表面处理技术，具有喷涂材 料广泛、涂层性能优异等特点。将激光表面处理技术与等 离子喷涂技术相结合，可以实现高效、环保的表面处理， 提高材料的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性能。
选择合适的材料
根据处理需求选择合适的基材和涂层材料， 确保与激光工艺相匹配。
加强过程控制
严格控制环境温度、湿度、清洁度等，确保 处理过程不受外界因素干扰。
设备维护与更新
定期对设备进行维护保养，及时更新老旧设 备，提高设备性能和稳定性。
06
CATALOGUE
激光表面处理技术的发展趋势与展望
新材料表面激光处理技术的研究与应用
应用领域
广泛应用于航空航天、汽 车、模具等领域的耐磨、 耐腐蚀、抗氧化等表面强 化。
激光合金化技术
合金元素
选择需要的合金元素，如 钛、铝、铬等，通过激光 加热使其与基材表面材料 发生合金化反应。
浅谈激光对材料表面处理的作用分析论文
浅谈激光对材料表面处理的作用分析论文激光对金属材料表面的处理，方法多种多样，得到的效果也不一样，但其在很多方面可以满足人们对材料的一些特殊要求。
如相对硬化技术可以让材料的硬度和耐磨性得到很大的提高，并且不会改变材料原有的形状;玻璃化技术可以让金属表面玻璃化;均匀化技术可以提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性，但是表面会有一定熔化，所以形状会发生一些变化;表面合金化技术会让材料表面有一层新合金;激光喷漆技术表面会有一层新材料。
但是由于技术发展历史比较短，所以对其理论和实践都还需进一步地探讨，就这个问题，文章展开分析。
1、激光对材料表面处理的原理激光具有高能量密度的特性，而这也就是激光对材料表面处理的原理。
在材料表面作用激光光束，当金属里的自由电子和激光光子互相碰闯时，会提高金属带电子的能量。
能量会进一步转换为晶格振动能，体现出热量的形式。
要穿透金属光子的能量还达不到上限，金属表面就会集中许多能量，温度会迅速升高至熔点和相变点温度，再加上金属导热性能好的原理，基体会迅速接收到散发的热量，形成了很高的冷却效果，这样材料表面结构就会出现结晶，并均匀分布合金元素，从而提高了硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
激光对材料表面处理效果的三要素，也是三个重要的参数，分别是激光功率、光束尺寸和扫描速率。
由于这三个要素直接决定了熔化宽带和熔化深度，而熔化宽度和熔化深度又直接影响材料表面的结构、应力和成分等等。
激光功率增加熔化深度也会随着线性增加，熔化宽度直接由光束尺寸所决定，熔化深度和熔化宽度会随着扫描速率提升而下降。
而在一定功率下，功率密度和光束的面积成反比，合理的选择三个要素对材料处理的工艺效果会不同。
2、激光对材料表面处理种类2.1激光对材料表面的扫描技术把材料的表面用能量很高的激光束扫描过后，材料表面局部会先熔化，而这就会加快材料的熔化速度。
按温度在材料表面的高低，可以分为两种激光扫描技术，激光熔凝技术和激光相变技术。
其利用的是材料晶体在不同温度下会有不同的原理，然后迅速冷却高温，会形成介稳的结构。
激光表面处理技术讲解
激光表面处理技术激光表面处理技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，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组合，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激光表面处理技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，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组合，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。
• 在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层，大幅度提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳的能力以及制备特殊的功能表层。
• 强化层与零件本体形成最佳冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。
• 依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质，而实现相变硬化和熔凝硬化。
•与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。
•可进行灵活的局部强化，根据需要，可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位。
• 一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。
• 配有计算机控制的多维运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产。
•生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。
激光表面处理应用实例：轴毂激光表面淬火大型齿轮激光强化处理轧辊轴颈激光修复孔型轧辊激光处理轧辊激光表面淬火滚道辊激光表面淬火滑动导轨激光表面淬火烧结机滑板激光表面淬火大型浸没辊激光表面淬火齿圈周向螺旋扫描激光淬火齿圈激光淬火齿轮轴激光表面淬火齿轮箱激光修复齿轮激光强化缸套含油槽加工缸体缸套表面淬火。
激光表面处理
建筑业
水泥搅拌浆 砖成型机桥与心轴强化等修复 鼓风机叶片 易磨损传送零部件 滚炉拖轮、各类轴承、轴套等
印刷工业
造纸烘缸、压辊等修复。 印刷机油墨滚筒强化与修复 印刷辊轮表面强化与修复 印染设备修复与防腐
电机轴激光熔覆修复
风机叶片激光修复
水泵轴激光修复
液压杆修复
煤矿截齿熔覆修复
船舶
船用曲轴修复 舵杆修复 船用缸套修复 联轴节内胆修复 联轴节外套修复 抛锚机传动轴修复
石油石化
阀门、阀芯的激光熔覆防腐 连接螺纹淬火 石油钻头的激光强化 耐磨套激光熔覆
矿山机械
减速机齿轮修复 剥离机节齿联部位激强化 矿井液压支柱表面损伤修复 大型提升机修复 翻斗车零件修复 分粒过滤网强化与修复 煤碳运送丝杆强化与修复
汽车模具激光淬火
高速齿轮轴激光淬火
大型辊轴表面激光淬火
激光熔覆应用举例
冶金
支撑辊轴颈位的磨损修复 板线材的扁头套修复 风机叶片磨损修复 万向节套筒、交叉头修复 管材生产线 V 形传辊表面强化 线材生产线导卫锟的表面强化 轧辊的表面毛化处理 轧辊表压挤伤沟在线修复 轧辊颈轴磨损的修复 输送辊道修复与强化 轧机垫板修复、防腐与耐磨处理 钼顶头的表面强化 飞剪表面修复与强化 减速机箱机修复与强化 钼顶头的表面强化
激光表面处理基本工艺
激光熔覆
激光熔覆技术是一新型、高效、无接触、便捷加工的重要手段，其利用自动送粉器将 粉末送到激光熔池中或预置粉末， 使合金粉末与基体同时熔化， 形成金属覆盖层的工 艺过程。激光熔覆是一种冶金结合，既具有传统埋弧焊所具有的结合力强、不脱落的 特点，同时又具有喷涂结合所具有的工件变形小的特点，不破坏工件的调质性能，适 用于承受大载荷、高速运动部件的修复。在激光光源能够入射、工件可装夹、了解工 件工况与基材成分的前提下，激光熔覆几乎可修复所有因磨损而导致其失效的零件。
激光表面处理技术的研究及其应用
激光表面处理技术的研究及其应用一、激光表面处理技术的概述近年来，激光表面处理技术得到了广泛的应用和研究。
它主要是以高能量激光束为热源，通过瞬间加热和熔融作用，来改变各种材料的表面物理、化学和力学性能。
激光表面处理技术本身是一项创新型技术，它具有高精度、高效率、非接触性、对环境无污染等优势。
二、激光表面处理技术的分类1.激光熔覆技术激光熔覆技术主要是指利用激光能量，将熔融各种底材、涂层材料和增强材料进行复合，以增加材料的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性等性能。
2.激光改质技术激光改质技术主要是指利用激光高能量、高密度和高速瞬间作用下的的化学反应，使物质表面的化学成份产生变化，从而增加了表面的稳定性和化学性能。
3.激光描图技术激光描图技术主要是指利用激光束对材料表面进行雕刻、切割、钻孔等处理，以制作出高精度、高质量、复杂形状件，用于模具制造、电子元器件制造、航空航天制造等领域。
4.激光去除技术激光去除技术主要是指利用激光束对材料表面进行脱除、剥离、清洗等处理，用于压力容器、船舶、汽车、油井、飞机等领域的表面清洗和维修。
三、激光表面处理技术的应用1.汽车制造领域对于汽车制造领域，激光表面处理技术主要应用在汽车零部件表面处理、制造等方面。
例如利用其熔覆技术，对汽车发动机零部件进行增材制造，极大提高了装配精度和配合间隙；将铝合金覆盖在镁合金上，提高了零部件的耐腐蚀性和硬度等指标。
2.电子领域激光表面处理技术在电子领域的应用主要包括室温金属键合和半导体芯片的剥离等方面。
其中，室温金属键合技术可以将电子元器件和器件基板进行高效连接，从而减小体积及提高元器件效率；而半导体芯片的剥离则可以大大提高元器件的质量和产量。
3.航空航天领域激光表面处理技术在航空航天领域的应用主要是加工高强度、耐高温和耐腐蚀的结构件。
例如利用激光熔覆技术制造有机纤维增强复合材料，可以用于航空航天结构部件零件的制造和维修；激光描图技术则可以实现复杂形状的涡轮叶片和航空零部件的加工等。
四 激光表面处理技术
波长↑R ↑
导电性↑ A↑
●温度对R的影响 温度↑ R↑ ●表面粗糙度对R的影响 表面粗糙度↑ R↓
4.1.4 黑化处理 ●磷化处理 磷酸盐溶液浸泡 适用于铸铁,中低碳钢. ●碳素法 可涂于任何材料 ●油漆法 适合任何材料
4.2激光表面处理工艺 4.2.1激光表面熔凝 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,并在基体强烈冷却作用下凝固, 形成特殊组织结构的工艺方法.
激光表面熔凝铸铁凸轮轴
4.2.2激光表面合金化 ●预置法
●硬粒子喷射法 ●激光气体合金化 铝、钛及其合金中加氮 ●激光表面合金化在许多场合可 代替热喷涂
●高单色性 频率范围窄 普通单色光源
激 光
V=γ/△γ 6 V=10 10～ 1013 V=10
●高亮度 自然界最强的光源—太阳光 光亮度值 L=103瓦/厘米2.球面度 大型激光器 L=1010-17瓦/厘米2.球面度 / . ●可调谐性 在一定范围内其频率可控
4.1.3激光与材料表面的交互作用 光能→热能 吸收率A=1-R (R 反射率) ●激光波长与材料导电性对R的影响
四 激光表面处理技术
4.1 概述
4.1.1关于激光 激光—20世ห้องสมุดไป่ตู้最伟大的发明之一 它的问世开辟了科学技术研 究和应用的新领域，它在经济、 技术、科学研究、社会生活和国 防等方面引起了一系列革命性的 变革.
激光雷达
激光切割
眼外科手术
激光美容
4.1.2激光特性 ●高定向性安度 普通光源的发光无方向性， 而激光的发光可以限制在几个毫 弧度立体角甚至更窄小的角度范 围
金属的激光表面处理
金属的激光表面处理作者：Ionbond激光现已被认为是处理金属表面，提高耐磨能力的一种工具。
Ionbond 在 Nurnberg, 德国的激光表面处理中心提供了这一技术。
在欧洲范围内为客户以及大量的汽车行业供应商进行激光表面处理。
这一特殊应用领域的处理和最小化的热量输入，它的优点是降低变形，快速的冷却率和良好的显微结构。
从经济的角度来讲是一种产量高、质量好的技术。
激光表面处理包括固态转变过程和熔化过程。
前过程包括硬化、回火、硬化冲击。
而在熔化过程中包括再次熔化，合金，复合，分散硬化。
激光束这一领域快速提高了表面温度（达 1000K/S ），薄层转换成奥氏体。
通过冷热传导去除能量导致自行谇灭，由此产生快速冷却表面层和奥氏体转换为马氏体的转变过程。
Laser hardened plastic injection mould locally hardened on the rib radii.激光硬化的基本目标是提高耐磨性。
磨损减少是基于激光硬化后的零件表面硬度高于磨损媒介的硬度。
由于摩擦系数的降低，提高了抗粘磨损，同时可以提高其疲劳强度。
典型的应用领域如下：金属成型模具金属成型模具在工业中被广泛的使用。
几乎所有的与板材的接触面都容易磨损，尤其是接触圆角部位,这些区域通过火焰或电磁感应能被硬化。
激光硬化适合精确与快速处理的表面硬化。
最低的热能输入使扭曲度降至最低。
能硬化至5m 长，25mm 宽，3m 深，激光硬化的灵活性使得各种成型模具能被硬化。
激光硬化金属成型模具：硬化的成型模具的折叠半径硬化的激光成型刀具硬化的成型模具的折叠半径塑料注模一个不断增长的激光束硬化应用是注塑模具，典型的模具如分段或整体成型模具重达10吨或更多。
在生产过程中，高的注射压力（~100bar ）将在入口和密封面导致严重磨损，尤其是当塑料中有磨损介质时，模具的磨损会导致零件出现毛刺，并需要大量手工打磨。
日益增长的客户化服务的需求，需要刀刃硬化。
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,Y unNan,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 cladding0 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。
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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 andTechnology,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 cladding0 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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