激光表面处理概论

激光表面处理技术概论

(昆明理工大学,云南省昆明市,邮编650000)

摘要:本文简述了激光表面处理技术的原理,重点总结了激光表面处理的应用和发展现状,其应用领域主要包括以下几个:激光表面淬火，激光硬化,激光表面合金化,激光熔覆等。并在此基础上对激光表面处理技术的发展前景做出展望。

关键词：激光表面处理；激光硬化；激光表面合金化；激光熔覆

Laser surface treatment technology

(Kunming University of Science and Technology,Y unNan,Kunming,650000,China) Abstract:This paper describes the principle of laser surface treatment technology, summarized the application and development of laser surface present situation .Its areas of application include the following: laser surface quenching，laser hardening, laser surface alloying, laser cladding and so on. And on that basis give out the development status and prospects of laser surface treatment technology.

Keywords: laser surface quenching; laser hardening; laser surface alloying; laser cladding

0 引言

利用激光束对材料表面进行改性的技

术是近3O年来迅速发展起来的材料表面处理新技术，其原理就是利用激光束作为热源，通过改变材料表面的局部成分或结构，实现对材料的局部表面改性，提高材料(零部件)的抗疲劳、磨损及腐蚀等性能的一门技术，是改善金属材料表层物理和力学性能的加工方法。包括激光相变硬化、表面熔覆、表面合金化、激光非晶化、激光化学气相沉积、激光物理气相沉积，以及激光冲击改性技术等。激光表面改性技术共同的特点是：能源的能量密度特别高，非接触式加热，热影响区小，对工件基材的性能及尺寸影响小，工艺可控性强，便于实现计算机控制。近年来，随着材料表面性能要求的进一步提高，新能源技术逐步完善，激光处理技术的应用领域越来越广阔。

1 激光表面处理的原理

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0.1mm)，从而可以获得极高的功率密度(10^4-10^9W/cm^2)。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、金属组织的改变和激光作用的冷却等。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.

2 激光表面技术及其应用

2.1激光表面淬火

激光淬火又称为激光相变硬化，是指以高能密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥

氏体，经随后的快速冷却，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术。

其主要特点有：

(1)材料表面的高速加热和高速自冷。加热速度可达l0^4-l0^9℃/s。冷却速度可达l0^4℃/s。这就有利于提高扫描速度及相应的生产率。

(2)激光淬火处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高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。

(4)可以对形状复杂的零件和不能用其它常规方法处理的零件进行局部硬化处理。如具有沟槽的零件。

(5)激光淬火工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制。自功化程度高。可纳入生产流水线。

(6)激光淬火靠热量由表及里的传导自冷。无需冷却介质。对环境无污染。

激光表面淬火应用

激光淬火由于以上优点而得到较为广泛的应用。发动机缸体表面淬火。可使缸体耐磨性提高3倍以上：热轧钢板剪切机刃口淬火与同等未处理的刃口相比寿命提高了一倍左右：而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火、齿轮齿面淬火、发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火等。

2.2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。

具有以下特点

(1)冷却速度快(高达l0^6 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。

(3)粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金。

(4)能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比。

(5)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷。

(6)工艺过程易于实现自动化。

激光表面熔敷应用

近年来，激光熔敷技术得到了迅速的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论上的支持和实践的需要，激光熔敷技术在工业化上迈出了巨大的一步，其应用领域非常宽，它可以用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。在刀具、模具、阀体上熔敷陶瓷层已获得广泛的应用。此外。