激光表面处理

• 热喷涂法：火焰喷涂和等离子喷涂（厚度易控，形状 限制成本）
• 电镀法：方法简单，大量H存在→气孔 • 涂刷法：粘结剂与合金粉末调和。清漆，水玻璃等
– 总的来说，导热性差，不利于基本熔化 • 气体激光合金化
– 辐照部位从气氛中吸收碳、氮等 – 典型应用：钛及钛合金的氮化
• 送粉式激光合金化（同步沉积法，提高了能 量利用率）
3. 耐磨性：硬夹软的特点，容纳碎屑和 润滑油
四、激光相变硬化实例
• 齿轮 • 轧辊 • 发动机缸体和缸套 • 模具
• 应用场合：不要求整体淬火或其他方法难 以处理，以及形状复杂或尚需进一步提高 硬度、耐磨性等性能的零件
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
气体做动力，粉末送至光束下方，加热与送粉同步
优点：
• 大大降低合金化层的不均匀性 • 减少了对基体材料的热作用，需要的能量少 • 简化了工艺 两种方法：
• 送粉 • 送丝
§7.5 激光合金化
激光合金化 激光熔覆 激光熔注
§7.5 激光合金化
同轴
旁轴
§7.5 激光合金化
旁轴
§7.5 激光合金化
• 可用来改善金属材料的机械性能,特别能有效地提高金 属材料的抗疲劳断裂性能和硬度。
• 与传统的喷丸、锻打相比，洁净、无公害，可处理圆 角、拐角等部位
• 国内外学者研究激光冲击铝合金等有色金属的较多， 亦有碳钢、合钢、球墨铸铁、不锈钢、镍基合金等应 用研究
激光冲击强化原理
• 过程：材料表面局部升温、汽化、电离，产生高 压力(GPa)的等离子体膨胀，对材料表面造成冲击 波或应力波
• 张力差与界面能说 • 蒸汽动力说 • 熔池间断熔化说
• 表面形貌的影响因素及其控制
– 材质：活性元素加入可改善表面状况，如硼、硅 等，减小表面张力
– 工艺参数：功率密度和作用时间
• 表面粗糙度随激光功率和扫描速度的减小而下降 • 功率密度恒定条件下，表面粗糙度与激光扫描速度的
关系曲线存在一最大值
• 功率密度为107~1011w/cm2 • 作用时间为几ps到几百ns • 典型冲击强化工艺参数：铷玻璃激光器，输出能
量80~100J，脉宽3~30ns，光斑直径1cm • 主要是力的作用，热作用可忽略不计，防止裂缝
生长和发展，细化晶粒－锻压效果
分类
• 有约束层
–激光束透过水或玻 璃被吸收层吸收, 吸收层部分汽化形 成等离子体,由于 等离子体被约束在 约束层和试样之间, 根据理想气体的状 态方程,在有约束 层时可以比无约束 层时获得更高的冲 击波峰压
• 较大光斑和较低功率密度可改善波纹
(w/cm2) 104~105 104~106
108~1010
作用深度 (mm)
0.2~1 0.2~2
0.02~2
Laser Materials Processing-WCM
§7.2 激光表面相变硬化
• 目的与作用：
– 强化零件表面，提高其表面硬度、耐磨 性、耐蚀性、强度和高温性能(硬化带，降低 磨损；表面产生压应力，提高疲劳强度),而使心部保 持较好的韧性。
• 化学反应吸收层
• 磷化法：形成磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁覆盖层 • NaOH氧化法
• 布儒斯特角吸收：入射角的控制、光斑的扩 大等问题、内表面处理
三 相变硬化层性质
1. 硬度：沿深度方向的硬度分布
硬度
距表面距离
单台阶：高碳钢 双台阶：亚共析钢，不完全相变：马氏体＋未转变的铁素体＋未溶解的渗碳体 表层非最高硬度：表面微熔时，尚未有系统研究 有回火区的硬度分布：基体已经有较高硬度，如经正常淬火后的高速钢
Laser Materials Processing-WCM
P238－图23－6
(2) 光束能量分布对熔池对流特征的影响
光束能量分布特征对于熔层对流特征的影响
Laser Materials Processing-WCM
（3）激光工艺参数对熔池对流特征的影响
• 熔池横截面张力梯度与熔池温
度之间关系如下：
• 无约束层
–工艺简单
Laser Materials Processing-WCM
主要参数
• 激光功率 • 脉冲频率 • 脉冲持续时间 • 光斑尺寸 • 约束层选择
冲击波峰压
• 当将等离子体看作理想气体，激光为高斯 光束时，冲击波峰压P可表示为：
P = B I1/ 2
玻璃作为约束层时, B = 21；水, B = 10. 1
§7.4 激光熔凝
激光熔凝 I=104~106 W/cm2
熔化,随后快速冷却凝固102~106k/s,巨脉冲 1012k/s 效果:细微均匀的表面组织,抗磨损,抗腐蚀性能好(腐蚀
原因:各种形式伏打电池,来源于表面组织不均匀) 工艺:匀强光强,不增加吸收层 试验研究:铸铁和工具钢,提高硬度 非晶态共晶→优良抗腐蚀性能 应用少,原因:与合金化差不多;破坏几何完整性,要求表
• 加热速度，最高温度，保温时间，冷却速度
• 加热温度
– 组织转变温度比常规上移很多：C钢900~1200℃
– 但晶粒仍来不及长大。加热：2×103~2×105 0c/s，冷却：700~2×104 0c/s；
• 加热速度
– 常规速度：A 形核、长大，Fe3C溶解，A均匀 化。一个温度范围内，扩散型机理
而影响凝固过程和成分的均匀性
Laser Materials Processing-WCM
Laser Materials Processing-WCM
2 影响熔池对流特征的影响因素
(1)溶质元素对熔池对流特征的影响
– 通过改变溶液粘度、密度、表面张力及溶质分布形态等影响对 流特征
P241－图23－15，18
Laser Materials Processing-WCM
硬度沿宽度方向分布
• 光斑的塔接造成
硬度
• 理想的匀强光斑产 生的回火软化区比
高斯光斑小
位置
Laser Materials Processing-WCM
2. 疲劳强度：相变硬化、马氏体转变过 程产生体积膨胀，膨胀受到基体的制 约产生残余压应力，压应力使疲劳强 度增大
– 玻璃的阻抗高，但装夹困难且碎片难以收集 – 水操作方便
Laser Materials Processing-WCM
存在的主要问题
• 激光冲击效果的无损检测。目前测表面残 余压应力主要使用X 射线衍射仪,这种方法 设备昂贵,需由专业人员操作,只适合实验室 使用。
• 新型约束层的选择研究。 • 冲击参数的优化研究。 • 高能量、高频率激光器的研制。
张力梯度主要取决于
∂σ
∂y
=
−cp
(1+
In
T T0
)
∂T ∂y
•熔池温度 •温度梯度 上述两者又是功率密度、
作用时间的函数
式中：c p为比热；T0为表面焓的参考温度 •对 流 强 度 主 要 取 决 于 功
率密度
T为熔池温度; σ为表面张力；
•对 流 循 环 次 数 取 决 于 交
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
y为熔池横截面坐标
激光相变硬化的特点
• 优点
– 高速加热和高速自冷 – 硬度高(比常规高5~20％) – 组织细 – HAZ小，淬火应力及变形小
– 提高疲劳强度 – 可达性好，工艺灵活，复杂
零件加工
– 局部有选择的表面处理 – 无需外加冷却介质
• 缺点
– 表面局部改性，无 助于心部性能改善
– 硬化面积小 – 硬化深度浅 – 设备费用高
– 黑化原则：
• 吸收率高、高的热稳定性(800~900℃) • 导热性能好 • 与工件表面有良好结合 • 涂层薄而均匀 • 益于生成和去除 • 工艺简单、价格便宜
黑化方法
• 喷吐覆盖物：10~20um厚
• 商用高温油漆：有机物＋碳黑＋氧化钛＋SiO2＋硅酸 钠、硅酸钾等
• 石墨和炭素墨水 • 黑化涂料喷涂
面加工
§7.5 激光合金化
• 基本原理：利用激光作为加热能源，使基材表 层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原 基材为基的表面合金层。
• 按照合金加入方式分类：
– 预置式激光合金化 – 送粉式激光合金化 – 气体激光合金化
• 预置式激光合金化（预置法）
– 理想层：厚度均匀，孔隙率低，高温下粘性
– 激光加热：非扩散型机理。在一个恒定温度下，F 自发瞬间转变成A，无C化物参与。体心立方→面 心立方。T增大时，才有C化物向A溶化过程
• 冷却：很高速度容易自淬火，比普通油冷水 冷速度高出一个数量级以上
二、硬化工艺
1. 增强表面吸收（黑化处理）
– I低，不熔，不汽化，不存小孔效应，表面光洁 度高，90~95%反射掉→克服高反射率
Laser Materials Processing-WCM
一、影响硬化指标参数
• 质量指标：硬化深度(H)、宽度、硬度、晶粒度
• 激光功率P
• 光斑大小D←离焦量
H=α·P/(D.v)
• 扫描速度v
• 材料性质：物理（导热性）、 吸收系数α 、化 学成分、原始组织和热处理状态
• 工艺参数通过热循环参数显示其影响。一定参 数，每点均有：升温→最高→降温
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
北京吉普在线式缸体激光热处理生产线
四、激光相变硬化实例
四、激光相变硬化实例
§7.3 激光冲击硬化
• 高功率密度( GW/ cm2) 短脉冲(几十纳秒) 强激光与金 属材料相互作用,会在材料表面形成一个高压应力波, 即激光诱导的冲击波。强激光产生的这种超高压已成 为动高压技术的一种有效手段, 已用于激光冲击处理 (laser shock processing) 这一材料表面改性技术中。
互作用时间
Laser Materials Processing-WCM
3 表面形貌及其控制
• 表面形貌类型及其成因
三种形貌类型：正常熔化、临界熔化、不充分熔 化
正常熔化呈波纹状：相等间距、向扫描方向弯曲 波纹成因：
• 表面张力梯度驱动熔池学说：表面张力梯度驱动的熔 池内的对流为主要动力，前沿熔化、后沿液面凸起
– 零件综合性能好 – 成倍延长产品寿命
作用过程
• 高能量(104-105w/cm2)激光束快速扫描工 件，工件表面极快升温到高于相变点低于 熔化温度；光束离开后，冷态基体的热传 导使被加热区迅速冷却而产生自淬火；
• 快速加热和快速冷却 组织细、硬度高 • 加热速度高达：105－106℃/s • 冷却速度高达：105 ℃/s
第七章 激光表面处理
本章主要内容
• 概述－基本原理 • 激光表面相变硬化 • 激光冲击硬化 • 激光熔凝 • 激光合金化 • 激光熔敷 • 激光熔注
§7.1 概述
• 过程：以激光扫描零件表面，使材料表面 吸收光能迅速升至高温，进而发生相变、 熔化或覆盖甚至熔入其他金属非金属元 素，随后快速冷却来达到零件改性的目 的。
Laser Materials Processing-WCM
国内外现状与发展趋势
• 1970年贝尔实验室首次开始 • 两个方向
– 小能量，小光斑，短脉冲，如：20mJ YAG，脉宽150ps， 光斑直径0.1mm，I＝1012w/cm2
– 高能量，超短脉冲
• 主要研究方向：小功率、约束层，功率密度越来越高 • 主要用水和玻璃作为约束层
• 吸收层0.01~0.1um，深度：0.1~0.5mm • 功率密度要求不高，多模、矩形光斑 • 研究活跃，某些工艺已经得到实际应用
分类
• 激光表面相变硬化
• 激光熔凝
• 激光合金化
• 激光表面涂覆
• 其他
– 激光冲击硬化、激 光毛化、激光上釉 等
工艺
相变硬化 熔凝和合 金化涂覆 冲击硬化
功率密度
同轴
§7.5 激光合金化
同轴
同轴
§7.5 激光合金化
同轴
§7.5 激光合金化
激光合金化
激光熔覆
激光熔注
主要工艺参数
• 激光功率（kW） • 光斑尺寸（mm） • 送粉率（mg/s） • 送粉角度（°） • 载气流量(L/min) • 搭接率
1 激光熔池的温度场
– 能量密度 – 能量分布 – 扫描速度 – 几何形状 – 直接影响对流、传质和传热，进
• 冲击波峰压只与激光功率密度有关,与激光 的脉宽和波长无关
强化机理
• 表面硬度提高机理：
– 对铝合金试样分析后认为,试样中存在的高 密度位错是硬度提高的主要原因;
– 对各种铁基合金,冲击后位相的转变,如γ相 至α相的转变,也是材料硬度提高的一个原
因。对不锈钢激光冲击处理后发现, 马氏体 的转变使表面硬度提高150 % ~200 % 。 – 冲击处理后材料结构的改变例如缠结也能极 大地提高表面硬度