激光表面处理技术

激光冲击硬化
当短脉冲( 几十纳秒) 高峰值功率密度(>10W/cm2)的激光 辐射金属靶材时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆 炸性汽化蒸发，产生高温(>10 000 K)、高压(>1 GPa)的等 离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压 力冲击波,作用于金属表面并向内部传播。当冲击波的峰 值压力超过被处理材料动态屈服强度时, 材料表层就产 生应变硬化，残留很大的压应力。这种新型的表面强化 技术就是激光冲击处理， 由于其强化原理类似喷丸，因 此也称作激光喷丸。
激光表面处理技术
激光束表面处理技术概念
激光表面处理技术,是在材料表面形成一定 厚度的处理层, 可以改善材料表面的力学性 能、冶金性能、物理性能,从而提高零件、 工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能的 表面处理技术。
激光表面处理技术产生
激光加工技术的研究始于20 世纪60 年代,但到20 世纪70 年代初研制出大功率激光器之后,激光表 面处理技术才获得实际的应用,并在近十年内得到 迅速的发展。
激光表面处理工艺
（2）有色金属系 在铝合金中加入合金元素的激光表面合金化 有大量的研究。例如以Si合金化可达到的硬 度是200HV，以Cu合金化可达300HV，以 Fe合金化可达300～500HV，
激光表面处理技术
（3）金属硅化物 激光表面合金化另外一个应用领域是制作 硅上面的金属触点。1978年 Poate等人 用双频激光辐照，把Pt，Pd和Ni膜合金 化到Si中，试样表面被熔化并在横向产生 非常均匀的合金层，其平均成分可通过改 变膜厚和激光功率在一定的范围内变化。 用连续波激光加热固体有可能形成单相硅 化物。
( 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。
激光冲击处理特点
激光冲击处理具有应变影响层深,，冲击区域和压力可控, 对表面粗糙度影响小，易于自动化等特点。与喷丸相比， 激光冲击处理获得的残余压应力层可达1 mm,是喷丸的 2~5 倍。而挤压、撞击强化等强化技术只能对平面或规 则回转面进行。另外， 激光冲击处理能很好地保持强化 位置的表面粗糙度和尺寸精度。
激光表面熔敷
激光表面熔敷技术是在激wenku.baidu.com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；
激光表面合金化应用
我国的激光合金化工作,有两项值得注意的进展。 一项是清华大学把激光合金化技术应用到实际产 品上； 另一项是北京航空航天大学采用激光合 金化工艺来强化新型高温结构材料- TiAl 金属间 化合物, 提高其耐磨性。
清华大学结合沙漠车用F8L413F 八缸风冷柴油 机研制陶瓷挺柱的科技攻关,在45 钢凸轮轴上成功 地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化 新工艺。采用自行研制的TH22 型共晶合金化涂料, 在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理, 使其硬度 达到60~67HRC,合金化层1.3~1.5 mm; 凸轮的其它 部分进行激光快速熔凝处理,获得的硬度55 HRC,硬 化层深0.1~1.0 mm。凸轮强化表面平整均匀,无气 孔和裂纹,实现了合理连续的组织与硬度搭配,凸轮 轴处理后无需校直。发动机经500 h 台阶试验和沙 漠车上5 个月使用考核, 表明激光强化的凸轮具有 优异的耐磨性和抗疲劳性能。
美国通用汽车公司自1974 年首次将CO2 激 光器用于激光淬火以来,先后建立了17条激 光热处理生产线,每日可处理零件3 万件。该 公司对易磨损的汽车转向器齿轮内表面用激 光处理出五条耐磨带,克服了磨损问题,且基 本无变形。我国也在积极进行激光淬火的研 究和应用实践,天津渤海无线电厂采用美国 820 型1.5 kW 横流CO2 激光器对硅钢片模具 进行表面淬火, 大大提高了耐磨性,使用寿命 提高了10 倍
激光表面处理技术原理
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,并在近几年得到迅速发展。
激光表面处理组织
由于激光加热速率极快，相变在很大的过 热度下进行，形核率很大。 因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大 受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。 冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易 得到隐针或细针马氏体组织。
激光表面处理组织
高碳钢也可分为两层：外层是隐针马氏体； 内层是隐针马氏体加未溶碳化物。 铸铁大致可分为三层：表层是熔化－凝固所 得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减 小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及 磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏 体。
激光表面处理技术优点
激光表面处理是采用大功率密度的激光 束,以非接触性的方式加热材料表面, 借助 于材料表面本身传导冷却,来实现其表面 改性的工艺方法。它在材料加工中的如 下优点:
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。
激光表面淬火特点
（1）材料表面的高速加热和高速自冷。加热速 度可达10⁴~ 109 ℃/s, 冷却速度可10⁴℃/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。
区域合金化 有效利用能量 精确控制密度和深度 不规则零件合金
激光表面处理技术
（1）铁基系 在某些情况下，钢中加入Cr，Ni，Mo等贵 重元素不是为了提高整体强度，而是为了防 止环境对表面的损伤，此时采用表面合金化 可使成本大大降低。例如，用70%Cr－ 30%Ni的金属粉末对一般碳钢进行激光表面 合金化，表面可获得29%Cr-13%Ni的合金 ，该合金在1mol/L H2SO4中的极化曲线与 18-8不锈钢的极化曲线相似，有几乎一样的 钝化能力，即具有相同的耐蚀性。
激光冲击硬化应用
激光冲击处理(LSP)能有效地强化钢、铝、钛、镍等金 属材料,特别是2024T3 铝合金经激光冲击强化后,，疲 劳寿命提高4 倍。近年来, 我国对激光冲击强化的微 观机理、强化效果的无损检测及激光冲击处理对金属 性能的影响及工程应用等方面进行了研究。
江苏理工大学及南京大学对2024T62 铝合金进 行激光冲击处理, 激光冲击区的硬度提高42%, 在95%置信度下, LSP 试件的中值疲劳寿命是未 激光冲击试样的5.4~14.5 倍。江苏理工大学也 对常用的45 钢进行激光冲击处理， LSP 区硬 度提高32%, LSP 试件的中值疲劳寿命是未冲击 试件的1.11~2.133 倍(置信度95%)。由于激光冲 击的应力波持续时间极短(微秒) , 特别是有效 处理成品零件上具有应力集中的局部区域, 例 如 提高成品零件上拐角、孔、槽等局部区域的疲 劳寿命, 所以LSP 技术的工程应用前景较好。
激光表面处理技术
激光表面合金化：利用激光束使合金涂层与基体 金属表面混合熔化，在很短的时间内，形成不同 化学成分和结构的表面合金。可获得理想合金或 亚稳态合金。处理的新方法，特别适用于工件的 重要部位的处理，这样既改善了工件的使用寿命， 又可简化工艺和节约昂贵的整体合金。激光表面 合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨、耐 蚀性等性能。
激光表面合金化
激光表面合金化是在高能量激光束的照射下, 使基体 材料表面一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速 熔化、混合, 形成10~1 000 μm 厚的表面熔化层, 熔化 层在凝固时获得的冷却速度可达10⁵~10⁸℃/s, 相当于 急冷淬火技术所能达到的冷却速度, 又由于熔化层液 体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象, 使 材料表面仅在很短时间( 50 μs~2 ms) 内就形成了具有 要求深度和化学成分的表面合金层。
激光表面处理组织
低碳钢可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐 针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体 。 中碳钢可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬 度HV达800，比一般淬火硬度高出100以上；第 二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第 三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素 体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。
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； ( 4) 改性效果比普通方法更显著， 速度快，效率高, 成本低；
激光表面处理技术原理
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0.1 mm),从而可以获得极高的功率密度 (104~109 W/cm2)。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。
合金化层与及基体间冶金结合
激光表面合金化工艺的最大特点是仅在熔化区和很小的 影响区内发生成分、组织和性能的变化, 对基体的热效 应可减少到最低限度,引起的变形也极小。它既可满足 表面的使用需要,同时又不牺牲结构的整体特性。它的 另一显著特点是所用的激光功率密度很(105W/cm2)。 熔化深度由激光功率和照射时间来控制。在基体金属表 面可形成0.01~2 mm 厚的合金层。由于冷却速度高,使 偏析最小,并显著细化晶粒。
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。
6.1 激光束表面处理技术能量转化
激光照射到材料表面 表层材料受热升温
激光被吸收变为热能 固态相变/熔化/蒸发
激光作用后冷却
激光束表面处理技术分类
围绕激光加工的特点, 人们相继研究并开发 出一些具有工业应用前景的激光表面处理 技术, 大体分为：激光表面硬化、激光表面 熔敷、激光表面合金化、激光冲击硬化和 激光非晶化。
( 3) 粉末选择几乎没有任何限制,特别是低 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
进入20 世纪80 年代以来, 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。
( 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。