第七章 激光表面强化
激光表面强化技术及其应用
激光表面强化技术及其应用
激光表面强化技术是一项全新的技术，可以实现金属的表面改性，改善材料的表面性能，提高材料的耐磨性、腐蚀性和破坏性，延长外壳的使用寿命。
通常情况下，激光表面强化技术可以满足金属表面的改性需求，并且可以快速、灵活地制备。
激光表面强化技术可以应用于很多领域，如汽车配件表面加工、矿山机械表面加工、制冷管材表面加工和其他机械设备表面加工等。
在汽车配件表面加工中，激光表面强化技术可以提高碳素钢的耐磨性，改善碳素钢的表面性能，以及改善碳素钢表面的粗糙度。
而在矿山机械表面加工中，激光表面强化技术可以提高不锈质件的耐磨性，提升不锈钢件的表面质量，从而延长机械设备的使用寿命。
在制冷管材表面加工中，激光表面强化技术可以增加管材表面硬度，提高管材的耐腐蚀性和耐磨性，以及降低热膨胀系数，从而改善管材的使用性能。
此外，激光表面强化技术还可以应用于其他机械设备表面加工，如各种非金属件的表面加工，可以显著改善非金属件的表面性能。
激光表面强化技术的应用非常广泛，不仅可以改善金属和非金属表面的性能，还可以应用于多种机械设备的表面加工，提高机械设备的使用性能和使用寿命。
激光表面强化技术是未来金属表面加工技术进步的重要利器。
激光表面强化技术在大型轧辊制造中的应用前景
激光表面强化技术在大型轧辊制造中的应用前景激光表面强化技术（Laser surface strengthening technology）作为一种先进的材料加工技术，已在多个领域得到广泛应用。
在大型轧辊制造中，激光表面强化技术也显示出了巨大的潜力和应用前景。
本文将从技术原理、应用优势以及发展前景等方面进行探讨。
一、技术原理激光表面强化技术是利用激光对金属材料进行表面改性，增强其力学性能和耐磨性。
通过激光高能量的短时作用，可以使材料表面的温度迅速升高并迅速冷却，形成一个具有高硬度、高耐磨性的表面层。
这种表面层可以有效防止轧辊在使用过程中出现磨损、脱落等问题，提高其使用寿命和性能稳定性。
二、应用优势1. 提高轧辊的耐磨性：激光表面强化技术可以在轧辊表面形成一个坚固的耐磨层，有效抵抗摩擦和磨损。
这可以减少轧辊与金属材料之间的摩擦力和磨损，延长轧辊的使用寿命，降低生产成本。
2. 提高轧辊的强度和硬度：激光表面强化技术可以显著提高轧辊的强度和硬度，使其能够承受更大的压力和应力。
这对于处理高强度或高硬度金属材料具有重要意义，可以保证轧辊在高强度工作条件下的安全运行。
3. 提高产品表面的质量：通过激光表面强化技术处理后的轧辊，可以有效改善金属材料的表面质量，减少产品表面的缺陷和不均匀性。
这对于生产高质量、高精度的金属制品具有重要意义。
4. 提高生产效率：激光表面强化技术具有快速、精确的特点，可以在短时间内对轧辊表面进行处理。
相比传统的热处理和化学处理方法，激光表面强化技术能够显著缩短生产周期，提高生产效率。
三、发展前景激光表面强化技术在大型轧辊制造中的应用前景广阔。
随着现代工业生产对材料性能要求的不断提高，对轧辊的耐磨性、强度和硬度等方面也提出了更高的要求。
传统的热处理和化学处理方法已经不能满足这些要求，而激光表面强化技术则能够提供一种有效新颖的解决方案。
此外，随着激光技术的不断进步和发展，激光设备的性能和稳定性也得到了显著提升。
7-2激光加工技术-激光表面改性技术
§ 7 2 激 光 表 面 改 性 技 术 .
图7-4 钢表面激光淬火区横截面金相组织图 图7-3 柔性激光加工系统示意图
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第 七 章 激 光 加 工 技 术
7.2.1 激光淬火技术的原理与应用
4.图7-5所示为该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线 5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为 CO2激光淬火和因素YAG激光淬火。但两者 中影响淬硬性能的主要基本相同 1) 材料成分：是通过材料的淬硬性和淬透 性来影响激光淬硬层深度与硬度的。一般 说来，随着钢中含碳量的增加，淬火后马 氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬 度也就越高，如图7-6所示。
§
7 2 激 光 表 面 改 性 技 术
.
图7-7 原始组织及扫描速度对激光淬硬层深度的影响
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第 七 章 激 光 加 工 技 术
7.2.2 激光表面熔凝技术
1.用激光束将表面熔化而不加任何合金元素，以达到表面组织改善的目的。与激 光淬火工艺相比，激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化一凝固 过程，所获得的熔凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝 层、相变硬化层、热影响区和基材，如图7-9所示。 2.图7-10给出了激光熔凝处理后，T10钢 表面显微硬度沿深度方向的分布。
图7-12 熔覆层的截面示意图
§ 7 2 激 光 表 面 改 性 技 术 .
6.激光熔覆层的宽度主要 度、 率 度等 数 7.
光 。
激光熔覆层的厚度 基 、 熔量、激光熔覆 基、 基、 基、 (WC、TiC、SiC等) 的 。 的基 、 、
、 及 及Al203、ZrO2等 等。
激光表面强化技术及其应用
激光表面强化技术及其应用随着科技的不断发展，激光技术已经成为现代工业生产中不可或缺的一部分。
激光表面强化技术是近年来发展起来的一种新型表面处理技术，它可以使材料表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性等性能得到显著提高，从而提高材料的使用寿命和可靠性。
本文将从激光表面强化技术的原理、方法和应用方面进行探讨。
一、激光表面强化技术的原理激光表面强化技术是利用激光束高能量密度的特点，将激光束聚焦到材料表面，使其表面受到高温和高压的作用，从而改变其组织结构和化学性质，提高其硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能。
具体来说，激光束在材料表面产生高温和高压，使表面材料发生相变、熔化、蒸发等过程，同时还会激发材料中的原子、分子等产生化学反应，形成新的化合物或化学键，从而改变表面材料的化学性质。
这些变化使得材料表面的硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能得到显著提高。
二、激光表面强化技术的方法激光表面强化技术的方法主要分为以下几种：1. 激光淬火：利用激光束高能量密度的特点，将其聚焦到材料表面，使其表面迅速升温，然后快速冷却，从而使表面形成高硬度的淬火层。
这种方法适用于钢、铁等金属材料。
2. 激光熔覆：将激光束聚焦到材料表面，使其表面熔化，然后喷射一定量的粉末或线材，形成一层新的涂层。
这种方法适用于各种金属材料和陶瓷材料。
3. 激光表面改性：利用激光束高能量密度的特点，将其聚焦到材料表面，使其表面发生物理和化学变化，从而改变其表面性质。
这种方法适用于各种材料。
三、激光表面强化技术的应用激光表面强化技术具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面： 1. 汽车制造：激光表面强化技术可以提高汽车零部件的硬度和耐磨性，从而增加汽车的使用寿命和可靠性。
2. 航空航天制造：激光表面强化技术可以提高飞机发动机叶片、涡轮等零部件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高飞机的性能和可靠性。
3. 电子制造：激光表面强化技术可以提高电子器件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高电子器件的使用寿命和可靠性。
激光表面强化及再制造加工技术在工业领域讲解
激光表面强化及再制造加工技术在工业领域激光表面强化及再制造加工技术是一种集光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术，因其特有的无污染、低能耗、易于自动控制等优势而迅速发展成为一种先进的表面加工技术。
该技术历经二十余年的进步，伴随着高功率激光器、装备智能化控制和材料技术的不断升级和改进，已越来越多应用到工业零部件的强化和再制造中。
一、激光表面强化及再制造加工技术分类及简介激光表面强化及再制造加工技术可以在不改变金属零件表面金属成分的条件下提高零件表面的机械性能，也可以对金属零件磨损或者拉伤的部位进行类同质熔覆修复、恢复形貌尺寸和性能，还可以对一些金属零件关键部位添加合金或者陶瓷材料进行表面改性，大大提高该部位防腐耐蚀、耐磨、高温抗疲劳等性能。
激光表面强化及再制造加工技术特点：无污染、可控性好、热影响区小、组织缺陷少、处理效果好、便于实现自动化。
国内外广泛使用的激光表面强化及再制造加工技术主要分三种：激光淬火、激光再制造（熔覆）、激光合金化。
以下对这三类技术及特点简单介绍：1.激光淬火技术采用高能量激光作为热源，使金属表面快热快冷，瞬间完成淬火过程，得到高硬度、超细的马氏体组织，提高表面的硬度及耐磨性，并且在表面形成压应力，提高疲劳强度。
图2-4为几种典型材料激光淬火层的组织和横断面硬度分布。
图1半导体激光淬火设备及淬火示意图图2GCr15激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度15mm/s）图342CrMo激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度10mm/s）图47CrSiMnMoV激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度10mm/s）激光淬火特点：变形小、形成残余压应力、硬度高、淬火层深度硬度可控、环保（无需水、油等淬火液）、易于实现自动化控制，该工艺不需添加功能合金材料。
2.激光合金化技术采用高能量激光作为热源，照射通过喷涂在工件表面预制好的超细金属或金属陶瓷合金化材料，使之在高能密度激光束作用下快速渗透熔凝，从而改变工件表面成分，获得组织细密、高耐磨合金层，大幅提高工件高温腐蚀条件下的耐磨性能。
模具材料及强化技术-第7章 模具表面强化技术-2019
③ 。应用：适合固体渗碳后的碳钢和低合金钢，气体、液体渗碳的粗 晶粒钢，及渗碳后不宜直接淬火的零件或需机加工的零件 。
丙酮、甲苯、甲醇等）。
分类：滴注式气体渗碳（应用最广）、吸热式气氛渗碳等。 渗碳过程：排气、强烈渗碳、扩散、降温。
例：20Cr、20CrMnTi等钢制 模具零件的井式气体渗 碳工艺
井式气体渗碳工艺
7.1.1 渗碳
14
4. 渗碳后的热处理
模具零件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为了获得理想的性能， 渗碳后需进行热处理，即：淬火+回火。
② 。特点：工艺简单，渗氮温度 较低、渗层浅、零件变形小 、表面硬度高，但渗氮速度 慢，渗氮周期长。
③ 应用：适合要求高硬度、低 变形的浅层渗氮，渗层氮含 量分布变化明显。
38CrMoAlA钢一段式渗氮工艺
7.1.2 渗氮
21
3. 气体渗氮 (2) 二段式渗氮
① 工艺特点：
第一阶段渗氮：除保温时间外，其它 工艺参数与等温渗氮相同，即渗氮温 度、氨分解率较低，使零件表层先形 成弥散度高的高硬度合金氮化物层。 38CrMoAlA钢二段式渗氮工艺 第二阶段渗氮：↑渗氮温度、氨分解率，加快氮原子的扩散，以↓ 渗氮周期。 退氮处理：渗氮结束前2h，↑渗氮温度和氨分解率进行退氮处理。 ② 特点：与等温渗氮相比，生产周期短，但零件变形略有增加，硬
第三阶段：低温渗氮，适当↑氨分解率，以↓模具表层的高氮脆
性，或采取与第一阶段相同的氨分解率，以补充因第二阶段氮原
子扩散快而使表面氮浓度过低，保证表面N含量以提高表面硬度
激光表面强化与热处理应用讲解
激光表面加强与热办理的应用激光表面加强与热办理技术是近20年来展开起来的一种新式资料表面办理技术。
激光表面加强技术的原理是利用激光穿透能力极强的特色，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面快速奥氏体化，而后急速自冷淬火，金属表面快速被加强。
激光表面加强与热办理能够分为3类：一是激光照耀时金属不融化，不过组织发生变化，这种工艺主要为激光相变硬化(激光淬火)；二是激光照耀时金属融化，冷却后组织发生变化或参加其余元素改良表面性质，包含激光熔凝、激光合金化、激光非晶化和微晶化等；三是激光照耀时金属表面发生汽化，进而发生组织变化，这种工艺主要为激光冲击硬化。
上述各样激光热办理工艺共同的理论根基是激光与物质的互相作用规律及其金属学行为。
激光热办理是传统热办理技术的展开和增补，它能够解决其余表面办理方法没法解决或不好解决的资料加强问题。
经过激光办理后，铸层表层强度可达HRC60以上，中碳、高碳钢以及合金钢的表层硬度可达HRC70以上，进而提升其抗磨损、抗疲惫、耐腐化和防氧化等性能，延伸其使用寿命。
激光热办理在汽车行业应用极为宽泛，在很多车重点件上(如缸体．缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座或活塞环等)几乎都能够采HJ激光热办理。
相同，农用机车也应当宽泛使用。
在农业生产中，机器的工作条件是多种多样的，有些机器(犁、中耕机、播种机和收割机)直接在磨料介质中工作，使很多部件磨损很快。
另一方面，为了获取足够的强度，机器的资料用量较大，不单浪费资料，并且显得粗笨。
关于此类部件，激光硬化办理后的硬度比惯例淬火硬度高5%20%，激光合金化能够依据要求选择参加新资料，形成以基材为根基的新合金层，以获取满意的性能。
别的，因为办理后性能的提升，能够采用低性能的基材，进而减少了基材的质量。
激光表面强化
激光表面强化技术的应用实例以及特点
4.激光表面熔覆
4.1 简介： 在基体材料表面添加熔覆材料(采用预置法或同步法)，利 用高能密度的激光束使之与基体表面薄层一起熔凝，在基材表 面形成与其呈冶金结合的添料熔覆层。
激光表面强化技术的应用实例以及特点
4.2 实例： 4.2.1 矿用108 t自卸车发动机凸轮轴的修复，熔覆材料 Ni基自熔合金。 4.2.2 矿用渣浆泵平衡盘：受矿井水的腐蚀和水中煤粒的 冲蚀磨损的交互作用，一般采用合金钢或合金铸铁，使用寿命 很低，后改为火焰喷焊镍基合金，零件使用寿命有所提高，但 工艺操作复杂，合金粉末消耗多，工件变形大，涂层缺陷多， 零件加工量大。采用45钢激光熔覆Ni60和Ni60涂层，经煤矿 现场使用，使用寿命比火焰喷焊镍基合金涂层提高50％以上， 而且质量好，效益高。 4.3 特点： 熔覆层与基体呈冶金结合；对基材的热影响区小，变形 小；基材的稀释程度低(一般为2％ ～8％)。
激光表面强化技术的分类
激光表面强化技术的分类
激光表面强化技术的应用实例以及特点
1.激光表面相变硬化(激光淬火)
1.1 简介： 激光淬火是金属材料在固态下经受激光辐照，表面被迅 速加热到奥氏体化温度以上，并在激光停止辐射后快速自淬火 得到马氏体组织的一种工艺方法。 1.2 实例： 1.2.1邮票打孔器激光淬火：对打孔器孔模周围孔刃进行 激光表面淬火后，硬度由18HRC提高到70HRC 1.2.2汽车转向器壳体：美国通用汽车公司萨基诺 (Saginaw)转向器分厂(1974年)首先将激光淬火应用于工业大 批量生产，在可锻铸铁壳体内表面磨损最严重的部分处理了5 条宽1．5～2．5mln，深0．25～0．35mln的硬化带，硬度64 HRC，使用寿命提高10倍 1.3 特点： 激光淬火试样的耐磨性比淬火+低温回火试样提高50％左 右，比淬火+高温回火试样提高15倍左右。
第七章 激光加工
• 它的英文全称是Light Amplification by Stimuluted Emisslon of Radiation，编写为 Laser，意为受激辐射光 放大器。由于激光有方向性强，单色性好，亮度高， 相干性好等特性，其在军事上的应用十分广泛。 激光 武器是利用激光束来直接攻击敌方目标的。其优点主 要是：（l）速度快，射束直，射击精确度高。激光束 以每秒三十万公里的速 度传播，不需提前量，瞬发即 中。（2）摧坚能力强。激光能量高度集中，可摧毁任 何坚固材料制成的目标。（3）灵活、无惯性，不产生 后座力。因光子的静质量为零，故激光武器不会产生 普通枪炮发射时所产生的后座力。激光武器易于迅速 变换射击方向，能在短时间内射击多个目标。（4）抗 电磁干扰能力强。
• 激光特点
激光有四大特性：高亮度、高方向性、高 单色性和高相干性。
• 加工特点：
1、它可以对多种金属、非金属加工， 特别是加工高硬度、高脆性及高熔点 的材料；
2、激光加工过程中无“刀具”磨损， 无“切削力”作用于工件 。
激光加工
激光加工（Laser Beam Machining,简 称LBM）是用高强度、高亮度、方向性好、 单色性好的相干光，通过一系列的光学系统 聚焦成平行度很高的微细光束（直径几微米 至几十微米），获得极高的能量密度 （108~1010W/cm2）和10000℃以上的高温， 使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更 短）熔化甚至气化，以达到去除材料的目的。
激光打孔的效率非常高，打孔时间甚至可缩短至 传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。
激光打孔的尺寸公差等级可达IT7，表面粗糙度Ra 值可达0.16～0.08。
第七章 激光加工
五、 激光加工的应用
1. 激光打孔
随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材 料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又 小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉 丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中 的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方 法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则 能比较好地完成任务。
YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体源自光器。红宝石激光器：红宝石是掺有质量分数为0.05％氧化铬的 氧化铝晶体，发射λ=0.6943μm的红光，稳定性好。红宝石激 光器是三能级系统，主要是铬离子起受激发射作用。
在高压氙灯的照射下，铬离子从基态E1被抽运到E3吸收带， 由于E3平均寿命短，在小于10-7s内，大部分粒子通过无辐射跃 迁落到亚稳态E2上，E2的平均寿命为3×10-3s，比E3高数万倍， 所以在E2上可贮存大量粒子，实现E2和E1能级之间的粒子数反转， 发射激光。
下图是氢原子的能级，图中最低的能级E1称为基态，其余E2、 E3等都称为高能态。
跃迁：被激发到高能级的原子一般是很不稳定的，它总 是力图回到能量较低的能级去，原子从高能级回落到低能级 的过程称为“跃迁”。 在基态时，原子可以长时间地存在，而在激发状态的各 种高能级的原子停留的时间（称为寿命）一般都较短，常在 0.01μs左右。 亚稳态：有些原子或离子的高能级或次高能级有较长的 寿命，这种寿命较长的较高能级称为亚稳态。 能级激光器中的氦原子、二氧化碳分子以及固体激光材 料中的铬或钕离子等都具有亚稳态能级，这些亚稳态能级的 存在是形成激光的重要条件。
1
2
3
4 5 6 1—激光器；2—激光束； 3—全反射棱镜；4—聚焦物镜； 5—工件；6—工作台
激光加工示意图
激光表面强化
1 激光表面技术发展背景一般情况下工程构件的失效大多发生在表面，主要由疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起，这一现象促使材料工作者对材料表面产生极大关注，因而使材料表面强化技术得到迅猛发展。
理想的材料是整体保持足够的韧性和强度，同时表面获得较高的、特定的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等。
由于激光具有极强的方向性,极高的单色性和相干性,因而具有极高的单色能量密度，是一种精密可控的高能量密度的热源，（）因此被越来越广泛地应用到军事、医学、通信和工业等领域，尤其是机械加工和材料加工方面很大进展。
70年代以来，激光表面强化技术逐渐发展起来，成为一种新型材料表面处理技术。
2 激光表面技术原理当高能激光束照射到材料表面时，激光被材料吸收转变成为热能，表层材料受热温度升高。
由于能量集中在一个很小的表面上，因此在短时间(10-1~10-7s)内材料就能升至高温(加热速度高达105~109e/s)，使表层材料发生固体相变、熔化甚至蒸发。
当切断或移开激光束后，材料表面快速冷却(冷速高达104e/s)，自然冷却就能实现表面强化。
在凝固过程中，受辐射表面由于产生晶粒细化、非稳态相和过饱和固溶体而具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
根据激光束与材料表面作用的功率密度，作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光表面强化。
激光辐照区的金属表面和光对金属穿透深度之间形成很薄的“热层”，激光在照射期间只对这一“热层”加热.，金属内部温度的变化依靠热传导。
这一“热层”可视为表面热源。
3 激光束表面强化的特点（1）激光功率密度大，能量高，加热速度快(105~109e/s)，加热温度高，基体自然冷却速度高快>104e/s)，生产效率高。
（2）表面强化层组织细小，硬度高，表面光洁无氧化，具有高的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性。
（3）热影响区小，工件变形程度小。
（4）可局部加热，对某些形状复杂，非对称的零件及特殊部位均可进行表面强化处理，如深孔内壁、盲孔底部等。
激光表面强化技术在钢铁厂轧辊维护与管理中的应用
激光表面强化技术在钢铁厂轧辊维护与管理中的应用激光表面强化技术（Laser Surface Strengthening Technology）是一种通过激光作用下的热和热变形来改善材料表面性能的先进技术。
在钢铁厂轧辊维护与管理中，激光表面强化技术已被广泛应用，并取得了显著的效果。
本文将重点探讨激光表面强化技术在轧辊维护与管理中的应用。
钢铁厂轧辊作为重要的生产设备，其表面质量和使用寿命直接影响到钢材生产的质量和产能。
而长期的使用和摩擦会导致轧辊表面退火和疲劳损伤，从而降低了轧辊的强度和硬度，进而影响轧制质量和生产效益。
因此，如何有效地维护和管理轧辊成为钢铁企业亟需解决的问题。
激光表面强化技术通过激光能量的高浓度和集中作用，能够在轧辊表面形成极高的温度梯度和应力梯度，从而改善其表面硬ness和强度。
具体来说，激光对轧辊表面进行扫描，使其迅速加热至临界温度以上，并通过快速冷却形成致密的表面层。
这一过程能够消除轧辊表面的氧化物和缺陷，提高轧辊的硬度、强度和疲劳寿命。
首先，激光表面强化技术在轧辊维护中可以修复轧辊表面的缺陷和损伤。
经过长时间的使用，轧辊表面会出现磨损、裂纹和断裂等问题，严重影响轧辊的使用寿命和质量。
传统的修复方法通常需要大量的材料投入和较长的修复周期，而激光表面强化技术可以通过局部加热的方式，迅速修复轧辊表面的缺陷和损伤，使其重新获得理想的表面质量和强度。
这种快速、精准的修复方式大大提高了轧辊的可用性和生产效率。
其次，激光表面强化技术在轧辊管理中能够延长轧辊的使用寿命。
传统的轧辊管理通常是定期更换或修复受损的轧辊，成本较高且操作繁琐。
而激光表面强化技术可以有效地提高轧辊的硬度和疲劳寿命，延缓其表面的磨损和疲劳破坏。
通过定期对轧辊进行激光表面强化处理，可以使轧辊在相同工况下承受更大的载荷和摩擦，延长轧辊的使用寿命，从而降低了钢铁企业的维护成本和生产停机时间。
此外，激光表面强化技术还能够提高轧辊的质量和生产效率。
8.第八讲-模具表面激光强化处理
第八节模具表面激光强化处理激光表面强化处理工艺主要包括有表面淬火、熔凝、合金化、涂覆等技术。
在模具表面强化中，激光表面淬火应用最为普遍。
激光表面淬火其表面形成了一层硬度极高的特殊淬火组织。
其硬度高，耐磨性可提高，淬硬层深度可达0.1～3.5mm，大大延长了模具的使用寿命；适合于形状复杂、精加工后不易采用其他方法强化的模具处理。
而激光表面熔凝基本原理是利用激光束对模具表面进行熔融和激冷处理，从而使所获的组织非常细小，甚至可能获得非晶态组织，因而表面强化性能更高，对低碳钢、中碳钢、低合金工具钢等处理后，其表面性能几乎可与高强度模具钢相媲美，激光强化处理模具的使用寿命如表 1。
表 1 激光强化处理模具的使用寿命模具名称模具材料原处理工艺激光处理后寿命提高倍数山字型硅钢片铁芯冲模Cr12 淬火+ 低温回火33%B9 硅钢片铁芯冲模Cr12 淬火+ 低温回火60%裁纸刀T10 调质50 倍，达 300 万冲次铝饭盒盖拉伸模45 火焰淬火6～9 倍一、激光表面淬火强化的定义：当具有一定功率的激光束以一定的扫描速度照射到经过黑化处理的模具工作表面时，将使模具工作表面在很短时间内由于吸收激光的能量而急剧升温。
当激光束移开时，模具工作表面由基材自身传导而迅速冷却，从而形成具有一定性能的表面强化层，其硬度可比常规淬火提高15%～20%，此外还具有淬火组织细小、耐磨性高、节能效果显着以及可改善工作条件等优点。
二、激光表面淬火强化特点：1）激光淬火层硬度达HV800～1100，具有极好的耐磨性和抗拉伤能力，寿命较火焰淬火提高5～50倍。
2）激光淬火层硬度、层深均匀，与基体有很强的结合力。
3）通过选择激光波长调节激光功率等手段，能灵活地对复杂形状工件或工件局部部位实施非接触性急热、急冷，加热和冷却速度高：105～109℃/S。
该技术易控制处理范围，热影响区小，激光淬火处理后工件产生的残余应力及变形很小，无须作任何校正和加工处理。
激光表面强化技术应用
激光表面强化技术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(104~10W／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。
它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。
随着大功率激光器以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激光技术进入到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。
一、激光表面强化技术常用的激光表面强化技术主要有三种：激光表面淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆与合金化。
激光表面淬火是激光表面处理中最成熟、应用最广泛的一种技术。
将激光照射到具有固态相变的铁碳合金工件表面上，使表面温度迅速升到材料相变温度；当激光移开后，表层被处于常温的内层材料迅速冷却而自行淬火，从而使表层组织结构和性能发生明显变化。
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。
淬硬层一般在0.1～1.2mm。
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。
由于激光加热速度快，因而热影响区小．淬火应力及变形小。
一般认为激光淬火处理几乎不产生变形，但厚度小于5mm的零件其变形仍不可忽视。
激光熔凝淬火是以高功率密度的激光，在极短的时间内与金属相互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到熔化状态。
随后，借助冷态金属基体的吸热和传导作用，使得已熔化的表层金属快速凝固，产生细小的铸态组织。
由于激光熔凝淬火允许金属表面熔化，实际操作时可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的扫描速度，因此激光熔凝淬硬层深度比前者更深，一般在1.5～2.5mm。
激光熔凝淬火的不足之处在于，激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低的幅度取决于激光加工的工艺参数，而激光表面淬火可以基本保持工件表面粗糙度不变。
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件下大幅提高，特别是常用的亚共析钢，共析 钢和过共析钢（T10钢以下）激光表面改性条 件：功率密度104~105 W/cm2；加热速度：103 K/s~105 K/s（随扫描速度变化），临界点可上 移：200~400℃，加热速度达：105~106 K/s时 含0.2~0.9 wt% C的碳钢，完全奥氏体化的临界 点均达到1130℃以上。
第七章
激光表面改性技术
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金属表面 激光强化处理
不熔化
熔化
汽化
相变硬化 合金化
熔敷 冲击硬化
非晶化
晶粒细化
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7.1 激光相变硬化原理
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热交换过程）－被加热表面与近表层存在极高的温度 梯度－极高的冷却速度。
激光加工是一个与常规热加工过程差别很大的、典型 的非平衡状态。
例：铜: 激光功率密度 106 W/cm2时： 3 × 105 ℃/cm。
Gr15轴承钢: 激光功率密度107 W/cm2时：3×106 ℃/cm。
激光辐照提供了一般热源所远不能相比的远离平衡态
理解激光固态相变硬化，关键是3个要点——
激光快速加热和快速冷却相变过程的动力学特点，微观组织
中晶体缺陷和晶格畸变与传统工艺冷速下有显著不同，最终
室温组织中，溶质（C及其它合金元素）的固溶度远高于一
般淬火条件下的固溶度。
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
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微观组织中晶体缺陷和晶格畸变与传统 工艺冷速下有显著不同
激光淬硬时钢的微观组织中晶体缺陷和晶格 畸变远高于普通淬火时，从而也显著提高表层 硬度。 例如45钢，一般淬火，位错密度108条/cm2。
激光淬火，位错密度1010~1012条/cm2。 位错密度提高2~4个数量级，抵抗塑性变形能 力加强，即反映为硬度提高。
理内孔、沟槽等复杂形状部位； 便于在生产线上进行自动化控制； 硬化层深0.1～1mm，工件要黑化处理； 表面硬化，硬化面积小，深度浅，设备一次性投资大。
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高功率密度+表层对激光能量的良好吸收－－极高的 加热（熔化）温度和极高的加热速度；
金属本体自导热冷却（最优的导热率；与常用方法本 质区别）－不存在被加热金属与外界冷却介质之间的
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室温固溶度显著提高
快冷造成过饱和固溶体，意义重大： 首先使晶格畸变提高，即硬度提高。 其次，合金元素的过饱和固溶提高，为某些合金 钢激光淬硬后，利用二次硬化元素的沉淀（弥散） 强化机制，适当回火，使细小合金碳化物析出， 会在非常有利于降低表层应力水平的同时，改善 其综合强韧性，而硬度和耐磨性都大幅提高。 其意义尤其体现在激光快速熔凝（包括合金化和 熔覆条件下）中。
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
5. 钢的原始组织越不均匀，在快速连续加热时，临 界点温度上升越高。例如，退火态（平衡态）、 正火态和调质态的同一碳钢，激光快速加热后的 淬硬组织差别很大。 以上动力学条件决定了激光固态相变时获得的组织 显著细，同时均匀度差，硬度显著提高 .
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激光相变硬化的优点
功率密度高、加热快、冷却快、淬火组织细、硬度高 （提高15～20％）；
输入热量少、变形量极小、基本不破坏表面光洁度； 经本体热传导冷却、无需冷却介质、冷却特性良好； 硬化层与基体形成最佳的冶金结合，处理层存在耐疲
劳的压应力； 选择性局部表面淬火，硬化层深度、范围可控，可处
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
4. 快速加热时形成的奥氏体成分不均匀性显著加大 （来不及均匀化），因而即使在低碳钢中，激光 淬火组织也可能存在高碳马氏体（原珠光体区域 中的原渗碳体位置附近），同时也存在着远低于 平均含碳量的典型低碳（板条）马氏体；
的热力学与动力学条件必然带来被加工金属表面微观
组织的许多特变化。
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7.2 激光固态相变硬化
的过程和机制
固态相变硬化实际上是指冷却过程能发生具有无扩散相变 （切变）特征即马氏本相变的合金材料的一种热处理过程。
代表性材料是钢和铸铁（王遵明：“铸铁实际上是含有大量 石墨相的高硅钢” 。 ）电子探针近年测定表明：铸件金属基 体中固溶了主要部分的Si，铁素体含<0.1 wt%以下的C，而珠 光体含0.50~0.60 wt% C，与Fe-C-Si三元相图不同含Si量的截面 相对应，铸铁金属基体实际上是亚共析成分。
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
2. 相变是在一个温度范围内完成的，加热速度越高，相 变温度范围越大，与此同时，相变时间却缩短。加热 速度103 K/s，共析钢珠光体奥氏体开始转变温度为 800℃，终了温度930℃（间隔130℃），理论上共析 钢珠光体奥氏体在Ac1温度恒温下完成. 3. 超快速加热使奥氏体形核率大大增加，奥氏体形成时 间极短，晶粒来不及长大，因此奥氏体显著细化（必 然带来随后快冷的淬火组织极为细化）.
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加热速度增强后钢的奥氏体形成 温度曲线
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超快加热下的非平衡Fe-Fe3C 相图
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加热速度对奥氏体碳含量的影响
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加热速度对奥氏体碳含量不均匀度 的影响
基本知识回顾：Fe-Fe3C 相图
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Fe-Fe3C 相图典型组织
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Fe-Fe3C 相图典型组织
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Fe-Fe3C 相图典型组织
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基本知识回顾：钢的加热与冷却