激光表面强化技术

激光表面强化技术论文

专业：机械制造及其自动化

课程：表面处理技术概论

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2016年11月20日

目录

一、摘要

二、简介

三、激光的简要概述

四、激光机工技术的特点

五、四种激光表面强化技术

1、激光表面合金化

2、激光表面冲击硬化

3、激光表面熔覆

4.激光表面熔凝

六、激光加工技术发展趋势

1、激光产业整体布局

2、激光产业重点单位

3、激光器技术的发展

七、结束语

八、参考文献

激光表面强化技术

一、摘要

疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起的工程构件的失效大多发生在表面, 这一现象促使材料科学工作者对材料表面的极大关注, 并促使材料表面强化技术的迅猛发展。人们希望在材料整体保持足够的韧性和强度的同时, 使材料表面获得较高的、特定的使用性能, 如耐磨、耐蚀和抗氧化等。

激光由于其优异的性能, 越来越被广泛地应用到军事、通信、医学和工业等领域。激光技术在材料科学中的应用使得材料学科无论在理论还是在工艺方面均获得重要的进展。激光的引人, 使得材料工作者可以根据应用背景来进行更广泛意义上的材料设计; 激光的引人, 也使得材料加工工艺前进了一大步。同时, 激光的引人又不断地给材料工作者提出新问题。激光表面强化技术包括激光表面淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆和激光表面合金化等。其中,激光表面合金化和激光熔覆是通过改变表面成分和组织来实现强化目的。

利用高功率激光表面强化的好处在于节约具有战略价值和昂贵的合金素形成非平衡相和非晶态晶粒细化、微观结构均匀化、提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析等。激光表面强化技术已有20多年的历史, 各方面已取得长足的进展, 如激光表面淬火技术在汽车缸套的表面强化方面取得显著的效益。但是目前激光表面强化技术的推广并未达到人们所期望的效果。其原因是多方面的,如设备投资较高,激光强化工艺的不稳定移植性差,在激光表面合金化和激光熔覆中还常常出现裂纹等问题。这有待于材料科学工作者更进一步深入研究激光表面强化的基础理论和应用技术。

二、简介

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

激光表面强化是利用高能激光束和材料表面之间的交互作用，改变材料表面

组织结构、物理性能和化学成分、应力状态等，从而改善寿命材料的表面性能（耐磨、耐蚀、抗氧化和抗疲劳等），提高关键零部件的使用与扩大材料用途的技术。具体而言，激光表面强化技术包括激光表面硬化（激光淬火）、激光表面合金化、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光表面冲击强化等。

三、激光

激光是在发射过程中受激而加强的光，这种光受激而发射的光子具有同方向、同频率、同相位、同偏振的特性，因而被称为“激光”。

激光产生的基本原理。激光是受激辐射而产生的增强光，激光器是受激辐射的光放大器。在原子发光过程中，同时存在光的自发辐射、受激吸收与受激辐射过程。其中，受激辐射与自发辐射有本质的区别。光的受激辐射是指处能及E2的原子，在能量为ε12的光子引诱

下，射出一个与入射光一模一样的

光子，跃迁到能及E1上。受激发射

光的频率、相位、偏振方向和传播

方向等均与入射光子相同，光的受

激辐射如右图所示。

因此，在外界泵浦工作期间，激光工作物质中的一对能及E1和E2，若实现了粒子数反转，则在粒子发光过程中，受激射有可能占有主导地位，聚集在E2上的大量原子就会产生受激发射过程，且通过受激发射的能量ε12的光子在激光棒内的传播，光强会越来越强。但是在外界光泵浦（如疝气、氪气或辉光发电等）作用心爱输出激光束，还需要在激光棒两端加一对由平面镜或球面镜组成的光学谐振腔。光沿激光棒的轴线方向来回振荡，从而得到放大，当这种光放大超过腔内损耗（包括散射、衍射等），激光放大超过腔内阈值时，就会在激光腔的输出端产生激光辐射——激光束。

国内对激光的研究起步岁晚，但发展十分迅速，确实值得我们骄傲。在与梅曼宣称发明了世界上第一台红宝石激光器相隔不到一年的时间里，王之江就在中国科学院长春光机所研制成功了我国首台固体红宝石激光器，邓锡铭在1963年7月研制成功了我国首台氨氖气体激光器。此后，国内外开始大力发展高功率CO2激光器。随后激光器的发展非常迅速，激光器的功率也在不断提高，目前已达到

万瓦以上级。正是由于高功率激光器的研制成功，为激光材料加工技术特别是激光表面强化技术应用的兴起和迅速发展创造了必不可少的前提条件。因此，激光材料技工技术由较简单的激光打孔、激光切割刀激光表面性新技术的研究和应用，从而出现了诸如激光相变强化、激光表面合金化、激光表面熔凝、激光表面熔覆与激光化学气相沉积等一系列新技术，使得激光材料加工出现了质的飞跃。

激光的特性：

（1）高单色性普通光源发出的光均包含较宽的波长范围，即谱线宽度宽。

（2）高相干性相干性主要描述光波各部分的相位关系。其中，空间相干性描述垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位关系。相干性完全是由光波场本身的空间分布（发射角）特征和频谱分布特性（单色性）决定的。因此，激光束叠加在一起，其幅度是稳定的，在相当长的时间内，可保持光波前后的相位关系不变，这是其他任何光源无法达到的。

（3）高方向性激光束的高方向性主要是指其光束的发射角小

（4）高亮度所谓亮度，光学上给出的定义是，光源在单位面积上某一方向的单位立体角度内发射的光功率。

四、激光加工技术的特点

正是由于激光束的四大特性，使得激光加工技术具有传统加工技术无法比拟的优势。

（1）由于它是无接触加工，并且激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。

（2）它可以对多种金属、非金属进行加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料。

（3）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。

（4）激光加工过程中，激光束的能量密度高，可以对局部进行加工，对非激光照射区域没有影响或影响极小。因此，激光加工的热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。

（5）激光束易于导向与聚集以及实现作各方向的变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法。

（6）生产效益高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。