课程作业激光表面改性

激光束表面改性

摘要：利用激光束进行表面热改性处理是材料表面处理中的一种重要的技术。本文对激光束表面改性技术原理、特点与分类进行了介绍，并以高速钢轧辊材料的激光束表面改性为例说明。

关键词：激光束；表面改性；高速钢

Laser Surface Modification

Abstract：Laser surface modification is employed in surface modification of materials as an important method. This paper describes mechanism, Characteristics and Categories of surface modification by laser beam. The surface modification of high speed steel with laser beam processing was illustrated hereunder. Keywords:laser Beam，Surface Modification，high speed steel

材料表面处理有许多种方法, 应用激光对材料表面实施处理则是一门新技术。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, 并在近十年内得到迅速的发展[1]。激光表面处理技术, 是在材料表面形成一定厚度的处理层, 可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能, 从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能,以满足各种不同的使用要求。实践证明, 激光表面处理已因其本身固有的优点而成为发展迅速、有前途的表面处理方法。

1、激光束表面改性的主要原理

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. 1 mm)，从而可以获得极高的功率密度( 104~ 109 W/ 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、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。随着大功率激光器出现，以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近年得到迅速发展。激光表面处理采用大功率密度的激光束、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，来实现其表面改性的工艺方法[2]。

2、激光束表面改性的特点

2.1激光束表面改性处理的优点[3]

通过激光表面改性处理，可以使材料表面性质改变，满足结构特殊用途的需要，达到提高金属材料零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及强度和高温性能的目的，较其它表面处理工艺具有以下显著优点：

(1)激光束具有很高的功率密度，材料被加热和自冷却速度很快，激光硬化

处理后的工件表面硬度比常规淬火硬度高5%-20%，在零件表面可获得极细的硬化层组织，而且淬硬层的深度可以控制，一般为0.3-1.2mm，采用大功率激光器可以达到1-3mm；

(2)依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质，具有很高的工作效率，配有计算机控制的多维运动工作台的激光加工系统，特别有利于生产率很高的机械化、自动化生产；

(3)通过工艺控制，可以对零件表面进行相变硬化、熔凝强化、合金化、特殊功能材料熔覆等各种表面改性处理；

(4)与各种传统热处理技术相比变形最小，且可以用处理工艺来控制变形量；

(5)可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，对表面形廓复杂的零件，可进行灵活的局部强化；

(6)一般无需真空条件，即使是特殊的合金化处理，用保护气体即可有效防止氧化及元素烧损；

(7)最大限度地消除了传统热处理影响区的不良影响；

2.2激光表面改性也具有局限性[4]

激光表面改性表现出以下局限：

(1)由于只是表面局部处理，无助于芯部性能的改变；(2)由于金属对波长的激光反射率很高，为增大对激光的吸收率，需做表面涂层预处理；(3)设备一次性投入费用高，且需要专业人员操作。

3、激光表面改性技术的分类

3.1激光表面淬火

激光表面淬火激光加热是将激光束短时间地(0.01-1.00s)照射到零件表面上，光束的能量被零件表面吸收，因而零件表面迅速升温。然后使被激光加热了的零件迅速冷却，以实现淬火。激光表面淬火是如下实现的：当从被加热的零件表面移开激光束以后，表面的热量便急剧地向零件心部传导，发散，从而使表面迅速冷却，冷却速度可达10000摄氏度第秒，即实现了自冷淬火。

3.2激光表面熔凝

激光束照射到金属表面使其表面薄层熔化，在光束移开后熔化的金属快速凝固(冷却速度达到105-107摄氏度第秒)组织得以细化，成分偏析减少，缺陷率降低，凝固组织中呈现更高的压应力状态，从而大幅度地提高材料表面的耐磨性和疲劳强度。激光表面熔凝处理主要用于铸铁和高碳，高合金材料。该技术已经在铸铁发动机凸轮，轧钢厂剪板片等产品上成功应用[5]。

3.3激光表面非晶化

激光表面非晶化与激光表面熔凝处理的方法相似，但处理条件要求更高：激光束的功率密度达到107W/cm²以上，辐照时间约1微秒，相应的冷却速度可达到107-1010摄氏度每秒。采用激光加热的方法，可获得大面积非晶化层，显著提高材料表面的耐磨性，耐蚀性和抗氧化性能，该技术已经在部分纺织机械

零件上得到应用[6]。目前，一些学者将激光表面合金化技术与激光表面非晶化技术结合在一起研究，取得了初步的成果。

3.4激光表面合金化

激光合金化是在用激光熔化基体表面的同时，加入合金元素。以基体作为溶剂，合金元素为溶质可构成配制的合金层的激光表面处理技术。如图1所示激光合金化示意图[7]。文献[7]报道了液相中激光渗碳或氮合金化过程。采用气体激光合金化可得到性能更为优异的表面合金。还有使用 6.5kwCO2激光器，在灰铸铁阀座上用激光使铬、钴、钨粉末与灰铸铁表面形成0.75mm厚的合金层，处理后的灰铸铁阀座其耐磨、耐热、耐蚀性好，使用寿命比原工艺提高1-3倍

图1激光合金化示意图

3.5激光熔敷

激光熔覆是把所需配制设计的合金粉末经激光熔化成熔覆层的主体合金，熔覆层与基体金属有一薄层熔化，并构成冶金结合的一种激光表面处理技术。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[8]。经过30余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。激光熔覆的目的是使一种合金熔覆在基体材料表面，而覆层材料多具有高硬度及良好的抗磨、抗热、抗蚀、抗疲劳性能，所以通过该法可以大大提高零件的耐磨、耐热、耐腐蚀及耐疲劳等各种所需的性能。如对60钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60钢20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB 合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，表1中列出了年腐蚀深度，可见前者的耐蚀性明显高于后者。图为气动喷注法激光熔覆示意图。

表1 CoCrSiB合金的年腐蚀深度

图2气动喷注法激光熔敷示意图