第9章 高能束表面改性技术-用

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应用实例
激光淬火
（2）激光表面合金化
①原理
− 是利用激光束将基体表面熔化，同时加入合金元素、陶瓷灯粉末，在以 基体为溶剂、合金元素与陶瓷为溶质的基础上，在成所需合金层的一种 ~10s内形成厚0.01~2mm的表面合金层的技术 − 这种快速熔化的非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到很高的过 饱和度，从而形成普通合金化方法不易得到的化合物、介稳相和新相， 在合金元素消耗量很低的情况下获得具有特殊性能的表面合金。 − 过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表面化学成分
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（3）激光表面熔覆
①原理
− 将粉末状的金属、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表面, 用大功率密度激 光束照射使之全部熔化，同时金属基体表面有微量熔融。激光束移开 后，表面迅速凝固，形成与金属基体粘得很牢的熔覆层 − 与表面合金化不同

基体微熔而添加物全熔，并要求基体对表层合金的稀释度为最小 获得具有原来特性和功能的强化层
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向工件加入合金粉末的方法有预置涂层法和同步送粉法，如下图 所示：
同步送粉堆焊
需要精度较高 的送粉设备
粉末预置堆焊
采用粉末涂刷、热喷涂、电镀、气 相沉积、预置薄板或金属箔等方法 把所需合金粉末预先涂覆在工件表 面，然后用激光加热
同轴送粉
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侧向送粉
②应用
− 适用于合金化的基材有普通碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、钛合金、 铝合金 − 合金化元素包括Cr、Ni、W、Ti、Mn、B、V、Co、Mo等 − 采用激光合金化可使廉价的普通材料表面获得优异的耐磨、耐腐蚀、 耐热等性能，以取代昂贵的整体合金
目前可输出功率最大的激光器
− 实用的多为2.5~5kW − 激活物质

CO2气体 中红外波段，波长10.6μm 一般为连续式，也可为脉冲式
− 波段

− 输出方式

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1） CO2气体激光器的特点
电-光转换效率高
− 理论值可达40%，一般为10~20% − 其他类型的激光器如红宝石激光器仅为2%
单位输出功率的投资低 能在工业环境下长时间连续稳定工作 易于控制，有利于自动化
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激光束照射到材料表面时，与材料间的相互作用根据辐射密 度与持续时间分为以下几个阶段：
− − − − − ①激光照射到材料表面； ②激光被材料吸收变为热能； ③表层材料受热升温； ④发生固态转变、熔化甚至蒸发； ⑤材料在激光作用后冷却。
当激光辐射的功率密度与持续时间不变时，上述过程的进展 除取决于被处理材料的特性外，还与激光的波长、材料的温 度和表面状态等有关。
光作用
− 激光与金属材料的交互作用也可以通过光作用而实现，不过这种作用 是一种间接的作用。由于这种作用主要用来制备特殊的非金属材料和 无机材料，如金刚石薄膜、类金刚石薄膜等。
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（4）金属对激光的吸收率
材料的反射系数和所吸收的光能取决于激光辐射的波长
− 波长越短、金属反射系数越小、所吸收的光能越多

钇铝石榴石晶体中掺入1.5%的铷 光泵浦激发（脉冲Xe灯作为光泵浦灯） 脉冲式或连续式 1.06μm 对于大多数金属材料，激光波长越短，吸收率越高，加热效率越高。 由于激光呈鲜红色，除作其他用途外，也用在大功率CO2装置上，作为 校准激光器。
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− 激发方式

− 输出方式

− 波长

（2）CO2气体激光器
− 气体激光器

− 液体激光器


螯合物激光器 五级液体激光器 染料激光器
− 半导体激光器（砷化镓激光器） − 化学激光器
（1）固体激光器
输出功率高，广泛用于工业加工方面，且可以做到小而耐用，适 用于野外作业 如：
− 红宝石激光器 − 铷-钇铝石榴石激光器（YAG激光器）
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（1）固体激光器
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（3）激光表面熔覆
③应用
− 激光涂覆陶瓷层


可以避免由热喷涂（火焰喷涂、等离子喷涂、爆燃枪喷涂）导致的涂层 缺陷，如：气孔、熔渣夹杂、微观裂纹 提高涂层质量和涂层结合强度，延长使用寿命 从根本上改善工件的表面性能 基本不受基体材料的限制
− 有色金属激光涂覆

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• 华中理工大学接受国家“ 七五” 攻关任务, 对汽车内燃机排气 门进行激光涂覆工艺研究。结果表明, 在排气门锥面上可获得2.0 毫米的涂霞层。 • 表面光洁, 极少气孔裂纹, 对比高频真空熔焊, 氧-乙炔堆焊, 等 离子喷涂等几种涂覆工艺在选用相同粉末的情况下, 不仅可获得 细小的表面组织和较高的表面硬度, 且具有较好的结合层。 • 台架试验表明: 其耐磨性比等离子喷涂提高4-5 倍。
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9.1.3激光表面改性技术
1）激光表面强化（激光表面淬火） 2）激光表面合金化 3）激光表面融覆 4）激光表面非晶化 5）激光熔凝 6）激光冲击硬化
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（1）激光表面淬火
①激光表面淬火原理
− 又叫激光相变强化 − 是在固态下经受激光辐照，其表面极薄一层的局部小区域被迅速加热 到相变点以上，转变成奥氏体，并在激光停止辐射后快速自冷却得到 马氏体组织的一种工艺方法。
③激光表面淬火应用
激光表面淬火的零件材料一般以中碳钢、刀具钢、模具钢和铸铁 为主，还可以对时效铝合金和奥氏体不锈钢进行固溶处理 大量应用于汽车、拖拉机、机车的发动机缸体和缸套内壁处理， 以提高其耐磨性和使用寿命 还用于曲轴、齿轮、模具、刀具、活塞环等表面硬化处理
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激 光 表 面 淬 火 件 Nhomakorabea激光表面淬火
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激光与物质的相互作用
热作用
− 激光光子的能量向固体金属的传输的过程就是固体金属对激光光子的 吸收的过程。激光与金属材料交互作用而产生的加热效应取决于材料 对激光光子的吸收
力作用
− 当激光束强度远低于熔化门坎值时，由于金属表面高的温度梯度，在 亚表层区会产生严重的不均匀应变。当内应力超过屈服应力时，材料 会发生塑性变形。用激光照射金属表面，表面温度的迅速增加会使材 料发生膨胀，平行于表面的位移受到周围材料的约束，会产生很大的 压应力。如果超过了材料的弹性极限，就会发生塑性变形，使材料挤 出自由表面。在冷却时，材料发生收缩。如果拉应力超过屈服应力， 冷至初始温度时就会发生拉伸塑变
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2） CO2气体激光器简单原理
能级跃迁辐射出一定波长的激光
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3） 工业用大功率CO2气体激光器
3） 工业用大功率CO2气体激光器
（3）激光束加热金属的过程
金属材料对高能束而言，是束流不能穿透的材料，因此当高能束 粒子照射金属材料时，其入射能量最终分解为两部分： − 一部分被金属表面反射掉 − 一部分被金属表面所吸收 当金属表面吸收了外来能量后，将导致晶格点阵结点原子 的激活，进而使光能（激光束）或电能（电子束或离子束） 转换成热能，并向表层内部进行热传导和热扩散，以完成 表面加热过程。
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1974年，美国通用汽车公司为提高汽车动力转向装置外壳内孔的 耐磨性, 希望找到一种最佳的表面淬火处理方法, 在选择最佳方法 时, 用软氮化、氮化、高频淬火、激光淬火等逐一试验。 用软氮化和氮化时, 需进行中间退火, 成本过高 采用高频淬火, 工件变形大 最终选择激光淬火, 具有优越的低变形特性和局部淬火功能。 所形成的五条硬化带宽度为1.5~2.5 毫米, 硬化深度约0.35 毫米, 硬 化部位重量仅为工件总重量的1% ,处理时间仅需2分钟。 处理后工件寿命延长了10 倍, 还省去大量的精加工工时。其成本 仅为高频淬火的二分之一, 这是最大限度发挥激光热处理优势的典 型例证
激光表面改性技术
激光表面处理的目的：
− 改变表面层的成分和显微结构；
激光表面处理工艺包括：
− 激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬 化等：
（2）激光器
激活介质（工作物质）、激活能源、谐振腔三者结合在一起称为激光器 分类 − 固体激光器

晶体固体激光器 玻璃激光器 中性原子气体激光器 离子激光器 分子气体激光器 准分子激光器
红宝石激光器
− 最早投入运行的激光器，至今还是最重要的激光器之一 − 激活物质

棒状红宝石，直径10mm或更粗，长几~几十mm 光泵浦激发（脉冲Xe灯作为光泵浦灯） 脉冲式 0.69μm
− 激发方式

− 输出方式

− 波长

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（1）固体激光器
铷-钇铝石榴石激光器（YAG激光器）
− 目前应用最广泛的一种固体激光器。 − 近红外不可见光，保密性好 − 激活物质
洛阳理工学院材料成型与控制工程
第9章 高能束表面改性技术
教材： 《材料表面工程技术》李慕勤 化学工业出版社
高能束
− 通常指激光束、电子束和离子束，即所谓的三束。
高能束的共同特征是：
− 供给材料表面的功率密度≥103W/cm2。
特点：
− 1. 功率密度高、作用时间短，易于获得亚稳态组织； − 2. 非接触式加热，热应力小； − 3. 可控性好，易于传输，处理环境清洁，污染少。
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（3）激光表面熔覆
②特点
− 合金层和基体可以形成冶金结合，极大的提高了熔覆层与基材的结合 强度 − 由于加热速度快，熔覆层的稀释率低，仅为5%~8% − 熔覆层晶粒细小、结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀性能更 为优异 − 热影响区小，工件变形小，成品率高 − 熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定
激光作用下合金的相变特点
相变的热力学条件
− 与常规淬火相比较，由于激光超快速的加热速度，使其相变过程的温 度间隔显著增大，即相变是在大的过热度下完成的。
相变完成后奥氏体成分很不均匀
− 由于激光加热相变完成时间很短，同时加热 区的温度梯度很大，因 而碳化物溶解以及奥氏体中碳和合金元素扩散再分布的情况，在激光 加热区不同部位之间有很大差异，即奥氏体的成分很不均匀。