第十一章 高能束表面改性技术之激光束表面改性技术)
表面改性技术-表面热处理
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。
(完整版)激光表面改性技术
1.什么是激光表面改性技术？
一般原理 激光与材料表面相互作用过程
一般原理
激光表面改性技术是采用高功率密度的激光器，利用光学 聚焦透镜将激光束聚焦，从而获得很高的激光功率密度和温度。 以非接触的方式，照射到材料表面，使金属材料表面在瞬间 （毫秒甚至微秒级）被加热或熔化后，借助于材料表面自身传 导快速冷却。在激光束与材料表面相互作用的过程中，通过热 效应及化学反应等方式，改变材料表面的组织结构、物理性能、 化学成分、应力状态等，从而改善材料表面性能（如耐磨性、 耐腐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等）的工艺方法。
b 优点： ①一般不添加合金元素。 ②熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。 ③在熔凝过程中，可以排除杂质和气体。 ④同时极冷重结晶获得的组织具有较高的硬度、
耐磨性、抗蚀性
c 用
a 原理：指利用高能量密度、短脉冲激光扫描材料表面，由 于材料吸热后升华气化而急速膨胀甚至等离子体化，并引 起爆炸波以及在表面产生冲击波，从而使材料表面强化的 技术。在激光与材料相互作用的过程中，由于高压冲击应 力波的产生，使材料表面产生塑性变形，形成大量的高密 度位错和残余压力，从而可大幅度提高材料表面的硬度和 抗疲劳性。
效率加工。 ③ 激光表面处理技术改性机理还不完善，温度场的测定还
不够精确，激光表面处理加工过程中的热应力、热应变和 加工后的残留应力问题没有很好理论解释。 ④激光表面处理工艺参数、材料性能 以及表面状况（如吸 光率）等处理后表层性能的影响研究不完善。 ⑤ 设备昂贵，一次性投入高。
（2）前景
① 利用激光表面处理技术，在一些表面性能差和价 格便宜的基体金属表面获得合金层，用以取代昂 贵的整体合金，节约贵金属和材料，使廉价材料 获得应用，从而大幅度降低成本。
总之：激光表面改性技术在改善和强化材料表面性 能，提高材料的使用寿命方面具有突出的优越性。
激光表面改性技术——激光毛化技术讲解
激光表面改性技术——激光毛化技术讲解2014 项目申请表主要性能、特色、应用范围及市场远景：一、主要性能、特色激光毛化技术（ Laser Texturing 或 Laser Surface Texturing，LT 、LST）是将经过特别调制的高能量密度脉冲激光束聚焦后照耀到资料表面，资料汲取激光能量后温度高升，并产生融化、气化形成光致等离子体等阶段。
使资料在表面一个细小地区内融化，形成熔池。
在表面张力或协助气体的作用下，熔池会发生变形。
当光束停止照耀时，因为迅速的热传导，熔池会很快凝结，这样就会形成一个边沿微凸的毛化坑，假如需要还能够将必定成分的协助气体吹向熔池，以获得特定容貌的毛化坑。
经过控制激光束和资料的相对运动，就能够在资料表面形成一系列平均散布的毛化坑。
资料表面的激光毛化过程中的组织变化，相当于是一次迅速激光淬火，即相变硬化过程，能够提升被加工资料（如轧辊等）的表面硬度及耐磨性，进而提升其使用寿命。
与传统的喷丸毛化办理及电火花毛化办理技术对比，激光毛化技术拥有以下特色：1.可控性高，经过控制激光毛化过程及协助气体量的大小，在资料表面能够获得随意的毛化容貌及粗拙度；2.环境友善，毛化过程中，不产生任何对环境有害的物质；3.毛化表面的性能可控，可经过改变激光毛化的气体气氛或经过在需毛化的资料表面预铺设相应的资料，在毛化过程中，调控毛化层组织，实现毛化层所需的性能要求；4.工艺流程简洁，激光毛化对资料表面要求较低，无需预办理；5.加工速度快，性价比高；6.加工资料不受限制，激光毛化技术是利用激光热效应的原理，可在随意金属及非金属表面实现毛化办理；7.战胜毛化过程中出现的划痕、边浪。
二、应用范围及市场远景在工业生产微细化、精细化、智能化、自动化的迅速发展的今日，波及了光学、摩擦学、生物医学、资料学、流体动力学等，拥有高可控性、高效率、高性能、高性价比、高附带值和环境友善特征的激光毛化技术，合用于随意资料的表面毛化办理领域，如钢铁轧板及轧辊的表面毛化，拥有极好的市场及发展远景。
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；
表面改性技术
例如，对发动机气缸内壁进行表 面改性，可以提高其硬度和耐磨 损性，减少摩擦和磨损，降低油 耗和排放。
电子工业领域
电子工业中，表面改性技术主要用于 提高电子元件的导电、导热和抗氧化 性能，从而提高电子产品的性能和可 靠性。
例如，对铜基板进行表面改性，可以 提高其抗氧化性和耐腐蚀性，延长电 子元件的使用寿命。
表面改性技术
目 录
• 表面改性技术概述 • 表面改性技术的方法 • 表面改性技术的应用领域 • 表面改性技术的挑战与前景
01
表面改性技术概述
定义与分类
定义
表面改性技术是指通过物理、化学或 机械手段对材料表面进行改性，以改 变其表面性质和功能的一种技术。
分类
表面改性技术可以根据改性手段的不 同分为物理表面改性、化学表面改性 和机械表面改性等。
表面涂层技术
01
02
03
电镀
通过电解的方法在材料表 面沉积金属或合金，提高 表面的硬度和耐腐蚀性。
喷涂
利用喷枪将涂层材料喷涂 到材料表面，形成均匀的 涂层，提高表面的装饰性 和功能性。
热喷涂
通过加热将涂层材料熔化 或软化，然后喷射到材料 表面，形成耐磨损和耐腐 蚀的涂层。
03
表面改性技术的应用领 域
挑战1
表面改性技术的稳定性不足。
挑战2
表面改性技术的成本较高。
挑战3
表面改性技术的环保性能有待提 高。
解决方案3
研发环保型表面改性技术，减少 对环境的负面影响。
解决方案2
通过技术创新和规模化生产，降 低表面改性技术的成本。
解决方案1
加强科研投入，提高表面改性技 术的稳定性。
市场前景与发展趋势
市场前景
激光表面改性技术
（5）激光表面合金化
a 原理：利用高能密度的大功率激光束将基底材料局部 区域表面加热到一定固态温度或形成一层薄的熔区， 通过扩散或添加合金元素或化学反应，改变表面化学 成分以改善材料表面的性能。 b 优点：①可利用气体或液体材料作为合金元素 ②合金化层组织小，结构致密，气孔率低 ③无需以工件作为电极传导，粉末材料和基体 材料使用面广 ④ 热影响区小，工件变形小 c 用途：常用于在磨损、腐蚀、高温氧化等工作条件下 的工件表面强化，以及修复磨损件。
（4）激光冲击强化
a 原理：指利用高能量密度、短脉冲激光扫描材料表面，由 于材料吸热后升华气化而急速膨胀甚至等离子体化，并引 起爆炸波以及在表面产生冲击波，从而使材料表面强化的 技术。在激光与材料相互作用的过程中，由于高压冲击应 力波的产生，使材料表面产生塑性变形，形成大量的高密 度位错和残余压力，从而可大幅度提高材料表面的硬度和 抗疲劳性。 b 优点：①可在空气中进行，对基体材料不产生畸变。 ②可冲击强化精加工工件的曲面（如齿轮、轴承 等） c 用途：提高材料抗疲劳寿命
总之：激光表面改性技术在改善和强化材料表面性 能，提高材料的使用寿命方面具有突出的优越性。
3.激光表面改性技术的分类
激光熔覆、激光淬火、激光表 面熔凝、激光表面冲击强化、 激光表面合金化
（1）激光熔覆（亦称为激光包覆，或者激光 熔敷）
a 原理：通过在基体材料（基材）表面添加一层熔覆材 料，再利用高能密度的激光束对其表面辐射加热， 使基材表面薄层和熔覆材料发生熔化，由于材料自 身热传导作用，被辐射后的材料表面迅速冷却温度 降低，并快速凝固形成一层与其为冶金结合的填料 熔覆层。 b 方法：一步法（同步送料法）和预置法 （P5 –P6） c 优点：①涂层与基材集合好，熔覆组织致密。 ②降低材料成本，降低能源消耗，节约贵重稀 有金属。 d 用途：材料表面改善和修复
表面改性技术
表面改性技术班级：材料092姓名：朱光辉学号：109012042 课程: 现代表面技术表面改性技术概述：表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。
表面改性技术的研究和应用已有多年。
70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。
表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。
（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。
（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。
（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。
表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。
表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。
表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。
喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。
已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。
喷丸强化原理：（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。
激光表面改性技术的研究与其应用
激光表面改性技术的研究与其应用激光表面改性技术的研究与应用摘要：激光本身具有很大的发展潜力，产生激光束的装置在品种和效率上都有很大的发展潜力。
利用激光表面改性技术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结合，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。
本文从激光表面改性的技术特点及先进制造业的发展需求岀发，论述了激光表面改性技术的特点及其在半导体表面改性、智能制造及柔性加工等领域的研究与应用。
关键词：激光表面改性；激光熔覆；激光表面相变硬化；复合处理；柔性制造激光表面改性技术是材料表面工程技术最新发展的领域之一。
这项技术主要包括激光表面相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光冲击硬化、激光非晶化及微精化等多种工艺。
其中，激光相变硬化和激光熔覆是目前国内外研究和应用最多的两种工艺。
激光表面相变硬化：与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面进行硬化处理。
激光熔覆:是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光幅照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。
与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。
1、激光表面改性的技术特点激光表面改性是当前材料工程学科的重要方向之一，被誉为光加工时代的一个标志性技术，各国(尤其是发达国家)均予以重点发展。
其高效率、髙效益、高增长及低消耗、无污染的特点，符合材料加工的发展需要。
激光束表面改性技术
激光束表面改性技术摘要：激光束表面改性技术在改善材料表面性能,提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。
它作用于材料表面使得材料的表面性能得到了明显的提高，随着研究的深入和技术的逐渐成熟，表面改性技术在工业领域中的应用越来广泛，目前进行材料表面改性的工艺有激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化，本文就其工艺方法进行了综述。
一、引言激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但是直到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。
它是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术，用激光的高辐射亮度，高方向性，高单色性特点，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, 使金属材料表面在瞬间被加热或熔化后高速冷却，来实现其表面改性的工艺方法。
二、激光相变硬化激光表面相变硬化又称激光淬火，它是以104～105W/cm2高能功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度，使受激光束作用的工件表面部位温度迅速上升到相变点以上，形成奥氏体，并通过仍处于冷却态的基体与加热区之间形成的极高的温度梯度的热传导，一旦激光停止照射，则以105℃/s的速度冷却，实现自冷淬火，形成表面相变硬化层。
三、激光熔覆激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面，使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。
这项技术始于1974年, Gnanamuthu申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利[3]。
经过二十几年的发展, 激光熔覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。
影响激光熔覆的因素主要有熔覆材料的原始成分、基体材料成分、熔覆的工艺参数。
激光熔覆技术示意图见图11.短型光束或高斯型光束2.气动送粉3.测量孔4.振动器5.粉末漏斗箱6.二氧化碳气体激光束高频振动7样品运动8.样品9.熔覆厚度10.熔覆层图1激光熔覆技术示意图⑴激光熔覆材料激光熔覆材料主要有镍基、钴基、铁基自熔性合金和金属陶瓷等类型；激光熔覆材料的选择，主要考虑使用性能及工艺性能等因素。
激光表面改性技术——激光毛化技术讲解
2014项目申请表主要性能、特点、应用范围及市场前景：一、主要性能、特点激光毛化技术（Laser Texturing或Laser Surface Texturing，LT、LST）是将经过特殊调制的高能量密度脉冲激光束聚焦后照射到材料表面，材料吸收激光能量后温度升高，并产生熔化、气化形成光致等离子体等阶段。
使材料在表面一个微小区域内熔化，形成熔池。
在表面张力或辅助气体的作用下，熔池会发生变形。
当光束停止照射时，由于快速的热传导，熔池会很快凝固，这样就会形成一个边缘微凸的毛化坑，如果需要还可以将一定成分的辅助气体吹向熔池，以得到特定形貌的毛化坑。
通过控制激光束和材料的相对运动，就可以在材料表面形成一系列均匀分布的毛化坑。
材料表面的激光毛化过程中的组织变化，相当于是一次快速激光淬火，即相变硬化过程，可以提高被加工材料（如轧辊等）的表面硬度及耐磨性，从而提高其使用寿命。
与传统的喷丸毛化处理及电火花毛化处理技术相比，激光毛化技术具有如下特点：1.可控性高，通过控制激光毛化过程及辅助气体量的大小，在材料表面可以得到任意的毛化形貌及粗糙度；2.环境友好，毛化过程中，不产生任何对环境有害的物质；3.毛化表面的性能可控，可通过改变激光毛化的气体氛围或通过在需毛化的材料表面预铺设相应的材料，在毛化过程中，调控毛化层组织，实现毛化层所需的性能要求；4.工艺流程简约，激光毛化对材料表面要求较低，无需预处理；5.加工速度快，性价比高；6.加工材料不受限制，激光毛化技术是利用激光热效应的原理，可在任意金属及非金属表面实现毛化处理；7.克服毛化过程中出现的划痕、边浪。
二、应用范围及市场前景在工业生产微细化、精密化、智能化、自动化的快速发展的今天，涉及了光学、摩擦学、生物医学、材料学、流体动力学等，具有高可控性、高效率、高性能、高性价比、高附加值和环境友好特性的激光毛化技术，适用于任意材料的表面毛化处理领域，如钢铁轧板及轧辊的表面毛化，具有极好的市场及发展前景。
激光表面改性技术及其应用
激光表面改性技术及其应用综述德耀（理工大学材料学院，100081）摘要：激光表面改性技术是一种独特而有效的表面处理技术，在工业生产中应用广泛。
本文简单介绍了激光表面改性的特点，特别是激光表面淬火、激光表面溶凝、激光合金化和激光熔覆技术的特点和应用，最后指出了激光表面改性技术存在的问题和发展前景。
关键词：激光表面改性技术；激光表面淬火；激光表面溶凝；激光合金化；激光熔覆技；应用Technology of Laser Surfacing Modificationand It’s Application are ReviewLi Deyao(Department of Materials, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)Abstract: Laser surface modification is a special and effective way of material surface treatment, which is widespread use in industrial production. This paper gives a pendium of the research and the development situation of laser surface modification, in particular, it focuses on several aspects of the following: laser surface hardening, laser fusing together, laser surface alloying and laser cladding, and its recent development status are also discussed. At last, the paper describes the existing problems and development prospect of laser surface modification.Keywords:laser surface modification; laser cladding; laser fusing together; laser surface alloying; laser cladding; application1 引言材料表面处理的方法有很多，应用激光对材料表面实施处理则是一门新兴的技术。
高能束表面改性
四、离子注入材料表面的强化机理
(1)固溶强化效应 依据注入原子的种类及其与基材原子直径比值大小差别，离子注入层的固溶
强化机理有间隙固溶强化与替位固溶强化。 (2)晶粒细化效应 离子注入层的晶粒尺寸较离子注入之前大幅度减少。因此注入层的硬度与强
度也将大幅度提高。 (3)晶格损伤效应 高能量离子注入金属表面后，使晶格大量损伤，产生大量空位和高密度位错。
3. 扫描速度
七、应用
优点：
激光淬火具有加热速度快、 硬度高、变形小、淬火部位可控、 不需淬火介质、生产效率高、无 氧化、无污染等优点
1. 发动机汽缸 1978年，美国通用汽车公司建
成了柴油机汽缸套激光淬火生产 线。寿命↑3倍。
（10万公里不漏油）
国内也已建立了数十条激光 淬火生产线。
螺旋扫描，可避免产生回火 软化区。
三、工艺过程
⑴ 离化→气体，在高温灯丝加速电子的作用下离化。 简单
→金属，先蒸发成原子，然后离化。
复杂
⑵ 分离→磁分析器从离子源产生的正离子中筛选出所需的离子
⑶ 加速→加速器将筛选出的正离子加速到所需的能量
⑷ 聚焦→利用四极透镜系统将离子束进行聚焦
⑸ 注入→聚焦后的离子束高速注入靶面（工件表面）
离子注入过程的原理示意图
⑸ 石油钻头熔覆WC层。
第二节 离子束表面改性
一、离子束能量和表面改性技术的关系
能量在数十eV~数百eV范围内用于离子束沉积；１~５keV范围 为离子刻蚀区，用于表面微细加工；10~30MeV为离子注入区；
二、离子注入定义
离子注入技术是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有 几万到几十万电子伏特的高能离子束后注入到固体材料表面， 形成特殊物理、化学或机械性能表面改性层
高能束表面改性技术.pptx
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激光熔覆工艺示意图
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激光熔覆的应用
激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范 围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。 航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生 产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。 1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB-21侦察轰 炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶 片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元 合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品 质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大 量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。
扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加 热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使 表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光 斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量， 不能达到所需的相变温度。
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此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被 材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料 表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率 越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率 也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面 对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层， 对工件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸 收率大幅提高。
美国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀， 使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的 TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，其耐磨性与CrWMn 钢相比，是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原 用的CrWMn钢制的托板寿命提高了3～4倍。
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表面改性技术在表面分析中的应用
表面改性技术在表面分析中的应用随着科技的发展，表面改性技术已经被广泛应用于各个领域，尤其是在表面分析的领域中。
表面改性技术可以通过改变材料表面的物理和化学性质来达到一定的表面改性效果，从而提高材料的性能和应用价值。
本文将介绍表面改性技术的基本原理和常用方法，并探讨其在表面分析中的应用。
一、表面改性技术的基本原理和常用方法表面改性技术可以通过改变材料的表面结构和组成来实现不同的表面改性效果，从而达到提高材料性能的目的。
表面改性技术的原理主要包括物理和化学两个方面。
1. 物理表面改性技术物理表面改性技术主要是通过机械方式改变材料表面的物理状态，从而实现表面改性效果。
其中包括以下几种常用方法：（1）轧制通过轧制可以改变材料表面的形态与结构，进而改变其物理和化学性质。
轧制可以使材料表面的晶体结构产生微观改变，从而提高材料的硬度、韧性和强度等性能。
（2）打磨打磨可以通过切削、抛光等方式改变材料表面的形态和结构，产生不同的表面改性效果。
打磨可以使材料表面变得光滑，从而提高其耐磨性、耐腐蚀性和导电性等性能。
（3）喷砂喷砂可以通过高速喷射砂粒对材料表面进行加工，从而改变其表面形态和结构。
喷砂可以使材料表面产生不同程度的粗糙度，从而改变其摩擦系数、润滑性和防滑性等性能。
2. 化学表面改性技术化学表面改性技术主要是通过化学反应改变材料表面的化学性质，进而实现表面改性效果。
其中包括以下几种常用方法：（1）离子注入离子注入是一种将离子束注入材料表面的方法，它可以在材料表面形成一定厚度的改性层，从而改变材料表面的化学组成和结构，实现表面改性效果。
离子注入可以实现不同种类和能量的离子注入，从而改变材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。
（2）溅射溅射是一种通过高速离子撞击材料表面来实现表面改性的方法，其原理类似于离子注入。
溅射可以改变材料表面的化学成分和结构，从而提高其硬度、耐磨性和导电性等性能。
（3）电化学氧化电化学氧化是一种通过电化学反应在材料表面形成氧化层的方法，其可以改变材料表面的化学组成和结构，实现表面改性效果。
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由高密度光子、电子、离子组成的激光束、电子束、 离子束有一个共同的特点，那就是通过特定装置可以 聚焦到很小甚至非常微细的尺寸，形成极高能量密度 的粒子束即高能束。将高能束作用于材料表面，可以 在极短的时间内以极快的速度使材料基体表面特性发 生改变。也可以作为微细加工技术，在材料表面形成 各种图案和形状，获得各种特殊的功能。因此，高能 束在材料表面改性和微细加工领域中得到了广泛的应 用。
主要特点：输出波长短，单光子能量高，重复性好， 波长可调谐运转；但是工作物质有毒，成本较高。
2、激光束与材料表面的交互作用
激光束辐射到材料表面时，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 的进展取决于被处理材料的特性，如材料的反射率、 密度、导热系数、固态相变温度、熔化温度、蒸发温 度、熔化比热容与蒸发比热容等。
主要特点：结构紧凑、体积小、重量轻、使用简便可 靠、寿命长、维修要求较低。
（3）准分子激光器
主要类型：准分子激光器也是一种气体激光器，依据 工作物质的不同，可分为四大类型：稀有气体类 （Xe2、Kr2）、稀有气体氧化物类（XeO）、稀有气 体卤化物类（XeF、KrF）、金属蒸气卤化物类。
基本原理：“准分子”是指在激发态能够暂时结合成 不稳定分子，而在基态又迅速离解成原子的缔合物。 准分子激光波长短，只有YAG激光波长的1/5和CO2激 光波长的1/50；单光子能量高达7.9eV，比大部分分子 的化学能要高，可以直接“切断”分子间的化学键来 实现加工。
要达到粒子数反转状态，可以利用激励源，把处于低 能级上的原子激发到高能级上去。
工作物质不同，激励方法不同，最常用的是光学和电 学方法。
④光学谐振腔
为了获得激光束，还需要一个光学谐振腔，对激光进行 振荡。
最简单的光学谐振腔由放置在工作物质两侧的平面反射 镜组成。这两个反射镜严格平行，其中一个是反射率为 100%的全反射镜，另一个是反射率为50%~90%的部分 反镜。
第一节 激光束表面改性技术
一、激光束表面改性的原理
1、激光及其特性 （1）激光产生的原理 激光（Laser：Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation），含义为 “由辐射受激发射产生的光放大”。 光与物质相互作用的规律是构成激光器的理论 基础。
①原子的能级分布
原子由位于中心的带 正电的原子核和环绕 核的电子组成，电子 分布在原子内的多层 轨道上运动。
当由于某种原因电子 在原子中的运动从一 个轨道跃迁到另一个 轨道上时，电子的能 量发生变化，同时反 映为整个原子的能量 变化。
激 发 能 级
基能 级
热平衡温度下，原子数按能级的分布服从玻 耳兹曼定律，即
工作原理：当工作物质受到外界激发产生辐射时，其传播方 向与腔体轴向相同的光子将引起其他激发态的工作物质产 生连锁性的受激辐射，在到达部分反射镜时放出一部分光 子，其他大部分仍反射回来，进行反馈，从而形成光振荡， 并不断从部分反射镜的输出端发射出光子成为激光束。
（2）激光的特性
与普通光相比，激光具有高度的单色性、方向 性、亮度性、相干性和极大的能量密度。对金 属材料表面改性而言，激光是一种聚焦性好、 功率密度高、易于控制、能在大气中远距离传 输的热源。
受激辐射产生的光子与入射光子的性质状态完全相同， 即频率、位相和传播方向均相同。由于这一特性，受 激辐射光与入射光相干迭加，产生光的放大作用。
③粒子数反转
受激辐射的强弱取决于处于高能级上的原子数，只有 在受激辐射占优势时才能发射出激光。
正常状态下物质中处于低能级上的原子数总大于高能 级上的原子数。只有当高能级的原子数多于低能级的 原子数时才能满足受激辐射占优势的条件，这种状态 称为粒子数反转。
基本原理：CO2气体激光器以CO2气体作为放电介质， 在直流高压下，大量CO2气体分子获得能量后，激发、 跃迁到高能态，并使处于高能态的粒子数多于基态的 粒子数，然后，高能态粒子向低能级跃迁，发射光子， 经谐振腔振荡放大后，输出激光束。
主要特点：高功率、高转化率、高光束质量。
（2）掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器
组成系统：掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器为固体激 光器，由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、 冷却滤光及激光电源等几部分组成。
基本原理：以掺钕的钇铝石榴石为工作物质，泵浦源 经电触发后输出高能量，为工作物质中的粒子数反转 提供光能。聚光腔再将光能有效、均匀地会聚到工作 物质上，产生高功率激光。
h：普朗克常数
如果原子的辐射跃迁都是自发（独6.6立3×进10行-34的J·，s）辐射出来 的光子在发射方向、初始位相都是任意的，这种辐射 称为自发辐射。
如果处于高能级E2的原子，当有光子趋近它时，而且 光的频率是v21时，此原子则可在外来光子的激发下， 从高能级E2跃迁到低能级E1上去，并发射出一个同样 的光子。这样原子的一个光子变成了两个光子，这个 过程称为受激辐射。
二、激光束表面改性的设备
激光束表面改性设备主要包括激光器、外围光 学装置、机械系统和辅助系统等。
1、激光器 应用最多的工业激光器主要有三类：二氧化碳
激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器和准 分子激光器。
（1）CO2气体激光器
组成系统：气体激光器主要由工作物质、光学谐振腔、 风机、热交换器、电源、真空泵等几部分组成。
N：相应能级上的粒子数 T：绝对温度 k：玻耳兹曼常数
②自发辐射与受激辐射 处于激发态的原子是不稳定的，总是力图向低能级跃
迁。 原子从高能级跃迁到低能级上，要释放出多余的能量。
释放能量的形式有两种。一种是变为热运动，称为无 辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射，叫做辐射跃迁。 从E2能级跃迁到E1上时，所辐射出光子的频率v21为