浅谈激光表面熔覆技术
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• 另外，激光表面处理技术对环保几乎没有负面效 应，明显的性能优势将使激光表面改性技术在众 多表面改性技术中占据主导地位。
• 随着激光器、机器人和自动控制技术的发展，激 光表面改性技术将向着大功率、自动化、智能化 的方向迈进。
激光表面改性技术
加热
熔化
汽化
激光表面合金化
激光熔覆
激光冲击硬化
激光表面非wenku.baidu.com化
• 该技术可以大幅度提高金属材料的表面硬度、耐 磨性和耐蚀性等。激光表面处理效果的优越性使 其应用领域不断扩大，从黑色金属到有色金属， 甚至还可用于非金属材料的表面改性。
1 激光表面改性技术研究现状
• 激光表面处理同其他处理技术相比具有很多独特 优点。首先，激光熔化后形成的组织化学均匀性 很高，而且晶粒非常细小，因而强化了合金，使 耐磨性大大提高；其次，由于热输入小，工件变 形小，对基体产生的热影响很小等；
1.1 激光表面热处理
• 激光表面热处理又称为激光表面淬火，是指应用 激光将金属材料表面加热到相变点以上，随着材 料自身冷却，奥氏体转变成马氏体，使材料表面 硬化，同时硬化层内残留有相当大的压应力，从 而增加了表面的疲劳强度。
• 对零件表面实施激光淬火，可以大大提高材料表 面的耐磨性和抗疲劳性能。
• 激光表面熔凝技术基本上不受材料种类的限制， 可获得较深(可达 2～3mm 以上)的高性能涂层， 易实现局部处理，对基体的组织、性能尺寸影响 很小，而且工艺操作方便。
1.3 激光熔覆
• 激光熔覆是以激光作为热源，用不同的添料方式 在被熔覆的基体上放置所选择的涂层材料，经过 激光照射使之与基体表面一薄层同时熔化，并快 速凝固后形成稀释度极低、并与基体材料形成冶 金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面 的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化能力及电气特性的 工艺方法。
浅谈激光表面熔覆技术
目录
激光表面改性技术研究现状 激光熔覆技术发展现状 激光熔覆技术的应用 激光熔覆技术存在的问题 激光熔覆技术的发展
0 前言
• 激光的发明是20世纪以来对人类及社会进步影响 最深远的重大科技成果之一。激光以其方向性好、 高亮度、好的单色性等特有的光学性能，己在多 个学科、多个领域得到广泛的应用。
1.2 激光表面熔凝处理
• 激光表面熔凝是采用近于聚焦的激光束照射，将 金属表面加热到熔点温度以上，使材料表面层熔 化并在表面形成熔池，在光束移走后依靠自身冷 却快速凝固，导致表层组织和性能变化的一种工 艺。
• 熔凝层中形成的铸态组织非常细密，能使性能得 到改善，可以增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。
2.1 激光熔覆的原理与特点
• 由于激光熔覆的众多优点，因而在各行各业中得 到广泛的应用，但是激光熔覆技术也存在它的不 足之处：
1.4 激光表面合金化
• 激光表面合金化是一种用激光将合金化粉末和基 材一起熔化后迅速凝固，在表面获得合金层的方 法。
• 这种方法既改变了材料表面的化学成分，又改变 了表面的结构和物理状态，可使廉价基材获得良 好的表面性能。
1.5 激光冲击硬化
• 利用功率密度很高(108~1011W/cm2)的激光束 ， 在极短的脉冲持续时间内(10-3~10-9s)，照射金 属表面，使其很快汽化并产生等离子体，在表面 原子逸出期间产生动量脉冲而形成冲击波或应力 波，作用于金属表面，使之产生塑性应变，从而 改变金属表层显微组织结构和动态机械性能，提 高材料的强度、硬度和疲劳极限。
• 与传统的强化工艺，如喷丸强化和锻打强化相比， 是一种洁净、无公害的处理方法。可以处理工件 的圆角、拐角等应力集中部位。
• 由于冲击时间短，可提高零件上拐角、孔、槽等 局部区域的疲劳寿命。
2 激光熔覆发展现状
• 激光熔覆是一种新型的表面再制造技术，主要用 于改善和提高材料的表面性能及零件表面修复。 它通过不同的添料方式（一般包括同步送粉法和 预置粉末法）在基材表面添加激光熔覆材料，并 利用高能量激光束使其熔覆粉末与基材表面薄层 一起熔凝的方法。由于合金粉末的性能优于基体， 与基体呈冶金结合，因此使基体表面的耐高温、 耐磨损和耐腐蚀等特性得到提高。
激光表面相变硬化
激光表面熔凝
激光化学气相沉积
激光物理气相沉积
激光表面改性方法分类
• 根据采用的不同激光能量密度和不同处理方式， 激光表面改性主要包括：激光表面合金化、激光 熔覆、激光冲击强化、激光表面非晶化、激光表 面熔凝和激光相变硬化。这些方法的目的都是为 了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高硬 度、高耐磨性以及高耐蚀性等性能，从而在满足 工作要求的基础上大幅度节约成本。
• 激光熔覆是利用高能密度激光束所产生的局部高 温将2种或者2种以上金属界面瞬间熔化，熔覆材 料与基体表面试样冶金结合，形成性能与基体成
分不同的涂层，既改善材料性能达到既节省贵金 属，又提高材料表面性能的目的。
2.1 激光熔覆的原理与特点
激光熔覆技术与其他涂层技术相比有明显的优点： (1) 冷却速度快，具有快速凝固的特征； (2) 热变形小，涂层稀释率低，涂层与基体呈良好 的冶金结合，成品率高； (3) 涂层材料的选择范围大，如铁基合金，镍基合 金等； (4) 涂层厚度一般为0.2mm~2mm，适用于磨损件 的修复； (5) 加工精度高，可处理较小或难加工的区域； (6) 工艺过程易于实现自动化。
2.1 激光熔覆的原理与特点
• 激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利 用高功率激光束以恒定功率与热粉流同时入射到 需要改善的工件表面上，一部分入射光被反射， 一部分光被吸收。当瞬时被吸收的能量超过临界 值后，熔覆材料和基材表面薄层熔化，金属熔化 产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的添料熔 覆层。激光束根据应用程序给定的路线来回扫描， 从而逐线逐层进行实现或修复。
• 激光加工技术是以高密度能源为中心，对零部件 进行快速、局部的特种加工，使零部件达到所需 要的性能，激光在激光表面改性方面的应用最为 广泛。
• 激光表面改性技术是运用高能激光束对工件表面 进行改变性能的技术，可大幅度的提高材料或零 部件的性能和寿命。
1 激光表面改性技术研究现状
• 激光表面改性是八十年代逐渐发展起来的一门新 兴学科，它是激光在表面技术领域中的新应用。
• 随着激光器、机器人和自动控制技术的发展，激 光表面改性技术将向着大功率、自动化、智能化 的方向迈进。
激光表面改性技术
加热
熔化
汽化
激光表面合金化
激光熔覆
激光冲击硬化
激光表面非wenku.baidu.com化
• 该技术可以大幅度提高金属材料的表面硬度、耐 磨性和耐蚀性等。激光表面处理效果的优越性使 其应用领域不断扩大，从黑色金属到有色金属， 甚至还可用于非金属材料的表面改性。
1 激光表面改性技术研究现状
• 激光表面处理同其他处理技术相比具有很多独特 优点。首先，激光熔化后形成的组织化学均匀性 很高，而且晶粒非常细小，因而强化了合金，使 耐磨性大大提高；其次，由于热输入小，工件变 形小，对基体产生的热影响很小等；
1.1 激光表面热处理
• 激光表面热处理又称为激光表面淬火，是指应用 激光将金属材料表面加热到相变点以上，随着材 料自身冷却，奥氏体转变成马氏体，使材料表面 硬化，同时硬化层内残留有相当大的压应力，从 而增加了表面的疲劳强度。
• 对零件表面实施激光淬火，可以大大提高材料表 面的耐磨性和抗疲劳性能。
• 激光表面熔凝技术基本上不受材料种类的限制， 可获得较深(可达 2～3mm 以上)的高性能涂层， 易实现局部处理，对基体的组织、性能尺寸影响 很小，而且工艺操作方便。
1.3 激光熔覆
• 激光熔覆是以激光作为热源，用不同的添料方式 在被熔覆的基体上放置所选择的涂层材料，经过 激光照射使之与基体表面一薄层同时熔化，并快 速凝固后形成稀释度极低、并与基体材料形成冶 金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面 的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化能力及电气特性的 工艺方法。
浅谈激光表面熔覆技术
目录
激光表面改性技术研究现状 激光熔覆技术发展现状 激光熔覆技术的应用 激光熔覆技术存在的问题 激光熔覆技术的发展
0 前言
• 激光的发明是20世纪以来对人类及社会进步影响 最深远的重大科技成果之一。激光以其方向性好、 高亮度、好的单色性等特有的光学性能，己在多 个学科、多个领域得到广泛的应用。
1.2 激光表面熔凝处理
• 激光表面熔凝是采用近于聚焦的激光束照射，将 金属表面加热到熔点温度以上，使材料表面层熔 化并在表面形成熔池，在光束移走后依靠自身冷 却快速凝固，导致表层组织和性能变化的一种工 艺。
• 熔凝层中形成的铸态组织非常细密，能使性能得 到改善，可以增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。
2.1 激光熔覆的原理与特点
• 由于激光熔覆的众多优点，因而在各行各业中得 到广泛的应用，但是激光熔覆技术也存在它的不 足之处：
1.4 激光表面合金化
• 激光表面合金化是一种用激光将合金化粉末和基 材一起熔化后迅速凝固，在表面获得合金层的方 法。
• 这种方法既改变了材料表面的化学成分，又改变 了表面的结构和物理状态，可使廉价基材获得良 好的表面性能。
1.5 激光冲击硬化
• 利用功率密度很高(108~1011W/cm2)的激光束 ， 在极短的脉冲持续时间内(10-3~10-9s)，照射金 属表面，使其很快汽化并产生等离子体，在表面 原子逸出期间产生动量脉冲而形成冲击波或应力 波，作用于金属表面，使之产生塑性应变，从而 改变金属表层显微组织结构和动态机械性能，提 高材料的强度、硬度和疲劳极限。
• 与传统的强化工艺，如喷丸强化和锻打强化相比， 是一种洁净、无公害的处理方法。可以处理工件 的圆角、拐角等应力集中部位。
• 由于冲击时间短，可提高零件上拐角、孔、槽等 局部区域的疲劳寿命。
2 激光熔覆发展现状
• 激光熔覆是一种新型的表面再制造技术，主要用 于改善和提高材料的表面性能及零件表面修复。 它通过不同的添料方式（一般包括同步送粉法和 预置粉末法）在基材表面添加激光熔覆材料，并 利用高能量激光束使其熔覆粉末与基材表面薄层 一起熔凝的方法。由于合金粉末的性能优于基体， 与基体呈冶金结合，因此使基体表面的耐高温、 耐磨损和耐腐蚀等特性得到提高。
激光表面相变硬化
激光表面熔凝
激光化学气相沉积
激光物理气相沉积
激光表面改性方法分类
• 根据采用的不同激光能量密度和不同处理方式， 激光表面改性主要包括：激光表面合金化、激光 熔覆、激光冲击强化、激光表面非晶化、激光表 面熔凝和激光相变硬化。这些方法的目的都是为 了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高硬 度、高耐磨性以及高耐蚀性等性能，从而在满足 工作要求的基础上大幅度节约成本。
• 激光熔覆是利用高能密度激光束所产生的局部高 温将2种或者2种以上金属界面瞬间熔化，熔覆材 料与基体表面试样冶金结合，形成性能与基体成
分不同的涂层，既改善材料性能达到既节省贵金 属，又提高材料表面性能的目的。
2.1 激光熔覆的原理与特点
激光熔覆技术与其他涂层技术相比有明显的优点： (1) 冷却速度快，具有快速凝固的特征； (2) 热变形小，涂层稀释率低，涂层与基体呈良好 的冶金结合，成品率高； (3) 涂层材料的选择范围大，如铁基合金，镍基合 金等； (4) 涂层厚度一般为0.2mm~2mm，适用于磨损件 的修复； (5) 加工精度高，可处理较小或难加工的区域； (6) 工艺过程易于实现自动化。
2.1 激光熔覆的原理与特点
• 激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利 用高功率激光束以恒定功率与热粉流同时入射到 需要改善的工件表面上，一部分入射光被反射， 一部分光被吸收。当瞬时被吸收的能量超过临界 值后，熔覆材料和基材表面薄层熔化，金属熔化 产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的添料熔 覆层。激光束根据应用程序给定的路线来回扫描， 从而逐线逐层进行实现或修复。
• 激光加工技术是以高密度能源为中心，对零部件 进行快速、局部的特种加工，使零部件达到所需 要的性能，激光在激光表面改性方面的应用最为 广泛。
• 激光表面改性技术是运用高能激光束对工件表面 进行改变性能的技术，可大幅度的提高材料或零 部件的性能和寿命。
1 激光表面改性技术研究现状
• 激光表面改性是八十年代逐渐发展起来的一门新 兴学科，它是激光在表面技术领域中的新应用。