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、
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
（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
激光表面改性ห้องสมุดไป่ตู้术
2011光信息科学与技术 指导老师：鲁晶 学生：肖冯俊树
1.什么是激光表面改性技术？ 2.激光表面改性技术有哪些用途？ 3.激光表面改性的分类（简单介绍5种， 激光熔覆、激光淬火、激光表面熔凝、 激光表面强化、激光表面合金化）、 特点及其各自的应用。 4.激光表面改性的前景和存在问题。
（3）激光表面熔凝（激光熔化淬火）
a 原理：指激光束照射到材料表面，使其表面薄层熔化， 在移开激光光束后，熔化的表层材料迅速凝固，组织 得以细化，成分偏析减少，缺陷率降低，凝固组织中 呈现较高的压应力状态，获得较为细化均质的组织， 从而改善和强化材料表面。 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 用途：提高材料硬度，耐磨性和抗腐蚀性
（2）激光淬火（激光相变硬化）
a 原理：利用聚焦后的激光束，扫描材料表面，使 材料表面温度迅速升高到相变点以上，当激光移 开后，由于仍处于低温的内层材料快速导热作用 使受热表层快速冷却到马氏相变点以下获得淬硬 层，进而实现材料表面的相变硬化。 b 优点：①不需要淬火介质，加热速度快。 ②淬火后工件变形小，适合高精度要求的 零件表面处理。 c 用途：增加材料表面抗疲劳强度
④ 随着激光器、机器人和自动控制技术的发展，激 光表面改性将向着大功率，自动化、智能化方向 迈进。 ⑤ 国外正在进行用激光冲击波来改善飞机结构中紧 固件周围疲劳性能的应用研究。发现6.5 mm板厚 的裂纹扩展试件和紧固试件的高频疲劳寿命，在 激光处理后比处理前延长100倍。 ⑥激光表面处理技术无污染特点，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 术呈现出具有广阔的应用和发展前景。
（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。
（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。 ② 可以用来研制新材料和代用材料，制造出在性能 上与传统冶金方法根本不同的表面合金，应用在 太空、高温和化学腐蚀环境条件下的机械零件上。 ③ 为了得到综合效果更好的表面层，复合表面改性 技术将是激光表面改性的一个重要方向。
致谢
• 本论文是在鲁晶老师的指导下完成的。在整个论 文的撰写，修改最后定稿的过程中，鲁晶老师都 在鼓励支持我，鲁老师严谨的治学态度、优秀的 专业素养和敬岗爱业的精神都使我受益匪浅，在 此我要由衷的感谢鲁老师在我论文写作期间给予 的帮助与理解。
谢谢观看！
耐腐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等）的工艺方法。
激光与材料表面相互作用过程
激光与材料表面的相互作用按激光强度和辐 射时间分为几个过程： 1.吸收光能量 2.能量传递 3.冷却 4. 材料表层组织的改变（形成强化薄层）
2.激光表面改性技术有哪些用途？
（1）：提高材料表面的耐腐蚀性（抗氧化性） （2）：提高材料表面的耐磨性 （3）：提高材料表面的抗疲劳性 （4）：改善和修复损坏的零部件
4.激光表面改性的前景和存在问题
（1）存在问题
① 激光功率不够大，且辅助设备待研发和提高。 ② 处理面积小，对于大面积、形状复杂的工件难以实现高 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。