激光表面处理

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激光的特征
▪ 2、亮度高 所谓亮度，是光源在单位面积上向某一方向 的单位立体角内发射的光功率。亮度与发光 面积与光源的发散角成反比，与发射的功率 成正比。激光束的面积比普通光源的发光面 积小得多。激光的发散角是普通光源的几百 万分之一，所以亮度很高。至今为止，只有 氢弹爆炸的瞬间所产生的闪光，才可与之相 比。
能。
Fe基材料： 105W/cm2，1.855ms达到升华温度 107W/cm2，0.186μs达到升华温度
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激光技术
激光(laser)一词来源于译音 “莱塞”港、台、澳 等地称为“镭射”。原意是受激辐射的光放大。 1964年，我国科学家钱学森教授建议把当时流行 的“莱塞”、和“光量子放大器”等名称统一起 来，定名为“激光”，一直沿用至今。激光的最 初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文 名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。 意思是“受激辐射的光放大”。也就是说，激光 是一种光，是一种受激辐射产生的光放大。
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激光加工的特点
▪ 不需要加工工具，不存在工具损耗 ▪ 几乎能加工所有的材料（对透明材料，采取
色化和打毛措施，仍可加工） ▪ 加工速度快、效率高、热影响区小 ▪ 适应于加工深的微孔、窄缝直径可小至几个
微米
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激光表面处理的特点
▪ 改性层有足够的厚度（0.1~1.0mm） ▪ 结合状态好。改性层内部及与基体材料之间是致密
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激光与普通光的区别
▪ 激光的发光机理与普通光有很大不同。普通光是由 自发辐射产生的，而激光是由发射放大而产生的。 自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调，不仅 辐射出的光子有先有后，波长有长有短，而是传播 方向也不一致，射向四面八方。物理学上把自发辐 射产生的光称为非相干光。受激辐射产生的光子在 频率、相位、振动方向和传播方向上均与诱发光子 完全相同。这种受激辐射产生的光称为相干光。受 激辐射会产生光放大效应：受激辐射过程产生并放 大的光，就是激光。可见，受激辐射放大就是激光 产生的机理。
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激光及其产生的机理
▪ 激光也是光，它与普通光一样在本质上都是 电磁波，激光具有全波相位的（相干）光， 波长仅为电磁波波长的千分之几，被称为一 种特殊的光源。它除了具有反射、折射、干 涉等一般光的特性外，还具有方向性强、亮 度高、单色性好、相干性好等特点。
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激光及其产生的机理
▪ 激光是激光工作物质的粒子（原子或分子），吸收 外来能量后，从基态跃迁到高能态，但这种状态是 不稳定的，它要自发地恢复到基态。在这过程中必 须经过亚能态的中间过程（普通光线的产生不存在 这个过程），粒子在亚能态的时间较长，在外界能 量的激励下粒子数目不断增加，当多于基态粒子数 时，一部分粒子先回到基态放出同一性质的光，光 又激发其它粒子也回到基态，释放出新的光，如果 这一过程在一个光谐振腔里反复进行，使构成了光 振荡，于是就射出一束方向性极强、相位一致，颜 色纯正的激光。
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激光加工机理
▪ 激光加工时，当能量密度极高的激光束照射在被加 工表面时，光能被加工表面吸收，并转换成热能， 使照射斑点的局部区域温度迅速升高到熔化，以致 气化并形成陷坑。同时由于热扩散，斑点周围的金 属熔化，随着光能的继续吸收，陷坑中金属蒸汽迅 速膨胀，相当于产生一个微型爆炸，把熔融物高速 喷射出来。同时产生一个方向性很强的反冲击波， 工件材料在高温熔融和冲击波的同时作用下，在工 件上打出一个小孔。
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合金元素的加入方式
▪ 预涂层：激光处理前，用电镀、蒸镀、离子 注入、溅射等方法把待添加的合金元素预置 在零件表面；采用合金元素和纤维素混合， 然后再刷在要处理的部位；热喷涂或等离子 喷涂制备预涂层。
▪ 气流送粉：在激光对基体表面预熔化的同时， 用气流（Ar、He、N2)把预先配好的合金粉 末喷注在激光熔池内，经熔化、均匀混合、 凝固后形成新的合金表层
▪ 美国通用汽车公司处理可锻铸铁的转向器箱体，进 行激光淬火，耐磨性提高10倍，费用仅为氮化的1/5， 节电90%。
▪ 汽车后桥、曲轴、汽缸盖，缸套内壁、齿轮、冷冲 模具、轴承、拉刀、导轨叶片、刃具、切刀等
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激光表面合金化
将合金粉末或陶瓷粉末添加到金属表面（预处 理或同步），激光束使粉末离子与基体共熔， 冷凝后得到改性层。 一般在廉价材料表面添加新的合金元素，新添 元素与基体表层熔合而形成一种和基体与新 添材料性质完全不同的新的合金表层。如B为 基材，A为添加的合金元素，经激光熔化后形 成新的AxB1-x合金改性层。
▪ 残余奥氏体：由于激光处理的冷却速度很快，造成马氏体的 转变点Ms升高有利于减少残余奥氏体。但由于微区含碳量 的不均，高碳区易出现残余奥氏体
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激光相变硬化的工业应用
▪ 在机械、汽车、航空、武器、电器等许多工业中所 使用的金属材料和零件，其工况条件希望零件整体 具有良好的韧性，而表面要求高硬度抗磨损，激光 固态相变硬化是比较可行的方法。
▪ 用途：提高零件表面的耐磨、耐热和耐腐蚀。刀具 和石油钻头涂敷WC，提高耐磨性，汽轮机和水轮机 叶片表面涂敷Co-Cr-Mo合金提高了耐磨及耐蚀性。
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●激光“上光” 利用高能激光束使金属表层快速熔化并造成
和基体之间很大的温度梯度，激光离去而凝 固，形成极细乃至超细化的晶体结构或非晶 态金属玻璃。 作用：减少表层成分偏析，熔合表面存在的缺 陷和裂纹，提高零件表面强度、塑性和抗腐 蚀性（改善奥氏体不锈钢焊缝的晶间腐蚀）
▪ 高能激光束扫描具有固态相变的铁碳合金表 面，使金属表面温度迅速升到奥氏体化温度 以上、熔点以下（表层快速吸收光能而使温 度急升（105~106℃/s），热能瞬间传导给基 体（105 ℃/s）） ，使合金表层形成奥氏体， 当激光离开后，高温的表层被处于常温的内 层材料所冷却，即“自淬”。使表层 0.1~1.0mm范围内的组织结构和性质都发生明 显的变化。实现相变硬化。
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激光器及其分类
▪ （1）激光器：是利用受激发射现象来发射 激光的装置。
▪ （2）激光器的三要素：激光工作物质（发 光材料）；光学谐振腔；激励源（或称泵 源）。
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激光器及其分类
▪ 按发光材料的状态来分： ▪ ①气体激光器：（氦-氖激光器等）
特点：单色性强，如氦氖激光器的单色性比普通光源高1亿 倍，种类繁多，可产生许多不同频率的激光。但由于气体密 度低，激光输出功率相应较小。 ▪ ②固体激光器 ▪ 特点：能量高，输出功率大。但种类较少，单色性差。 ▪ ③液体激光器 ▪ 特点：最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。 特别适合于对激光波长有着严格要求的场合。 ▪ ④半导体激光器 ▪ 特点：体积小，重量轻，结构简单。但输出功率较小，单 色性也较差。
的冶金结合，不会发生脱落（CVD和PVD镀层与基 体材料之间属半机械结合，工艺不当就会镀层脱落， 热喷涂涂层中有5%~15%的气孔或孔隙，会影响涂 层和基体的结合强度） ▪ 高功率密度的激光，能量集中，适应于进行局部表 面处理，对零件整体热影响小。对一些细长的杆件、 导轨及薄片的处理，热影响和热变形都很小。
激光表面处理
●激光能量向固体金属传输过程就是金属对激 光的吸收过程。
▪ 光子与金属中的公有化电子发生非弹性碰撞， 即光子被电子吸收，是电子由低能级跃迁到 高能级。
▪ 处于高能级状态的电子将在与其它电子的相 互碰撞中传递能量。
▪ 公有化电子间碰撞的平均时间为10-13s。
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▪ 大多数金属吸收光子的深度少于0.1μm，可 认为激光能仅在金属表层内部瞬间转换为热
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激光表面处理的特点
▪ 工艺柔性大。可用导光系统将激光导向深孔、 内孔、盲孔、凹槽等需要处理零件的局部
▪ 工艺操作简单、灵活。激光功率、光斑大小、 扫描速度可随意调节
▪ 多数情况下可在大气中进行，无环境污染、 噪声低、无辐射、无需介质、不会造成公害， 可很大程度地改善劳动条件
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激光相变硬化（激光淬火）
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其他应用
● 激光冲击硬化 激光束使表面薄层气化，当表面原子一处使 发生动量脉冲，产生冲击波，使金属产生塑 变，产生位错，有加工硬化效应，提高强度 和抗疲劳寿命。
●激光渗碳、渗氮、渗硅、渗硼
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激光相变硬化的组织特征
▪ 超细化的隐晶马氏体：由于快速加热，过热度很大，形成奥 氏体的初始温度升高，奥氏体的成核率提高，而保温时间很 短，晶粒来不及长大。自淬后形成的马氏体晶粒尺寸也很小。
▪ 成分与缺陷：由于高速加热，停留时间短，奥氏体内的碳和 合金元素来不及扩散均匀化，随后冷却所获得的也是微区成 分不均匀的马氏体或残留奥氏体，但对性能影响不大。快速 加热和冷却形成的热应力和组织应力，会使激光处理区形成 极高的位错密度，点阵畸变增加
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激光表面合金化的应用
▪ 对灰口铸铁阀座进行表面合金化处理，可代替昂贵 的高温合金材料
▪ 具有高韧性的20钢（0.2%C）基体上进行合金化， 合金粉末为Ni-Cr-Mo-Si-B，表面硬度达HV1600， 即保持零件的高韧性，又提高表面的耐磨性
▪ 复合处理：40Cr钢的渗硼层，激光重熔再晶化后， 使表层获得的金相组织为硼化物的共晶合金层，原 来的渗硼层的脆性得到改善，获得较好的硬度和韧 性的配合。
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激光的特征
▪ 方向性强 光的方向性如何，用光束在空间传播的发散 角来衡量。发散角越小，方向性越好，如果 发散角等于零，就称为平行光。普通光源发 出的光射向四面八方，谈不到什么方向性， 而激光的发散角很小，再加上光学系统聚集 后，已接近于平行光。如果把它射向月球 （距地球384000千米），在月面上的光斑 直径不超过2千米。
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激光的特征
▪ 3、单色性好 科学上把波长范围小到零点几纳米的光叫单 色光。光的单色性好就是波长范围很小，频 率或波长单一。普通光源发出的光，一般都 是极为复杂的、都包括极宽的波长范围，而 激光则能密集在单一波长上，谱线宽度极窄， 所以激光是一种亮度高的单色光。