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1、精品学习资源激光表面表面处理技术及进展许彦明 指导老师：宋世涛（河北科技师范学院理化学院 化学 0703 班）摘要： 激光具有庞大的技术潜力，在冶金和材料加工中进展快速，应用广泛；激光表面处理由于其对工业和生产作出了庞大奉献，已成为飞速成长的重要加工技术领域；本文较系统地介绍了国内外激光表面处理技术的讨论与应用近况，指出了这项技术今后需解决的问题；关键字： 激光；表面处理；进展0 前言激光的显现时近代物理学的一个重大进展；第一台激光器于60 岁月初问世，对激光表面热处理工艺的讨论早在激光器产生后不久就已经开头，但直到60 岁月末、 70 岁月初才在热处理生产中获得应用；激光在金属热处理方面取得
2、胜利，标志此技术的应用进人了新灼阶段；随着大功率激光器的1研制胜利与不断完善，这一新工艺用于汽车转向器表面处理的生产线；国内经过“六五”方案的联合攻关，已在汽缸套等零部件的表面热处理上获得胜利，取得了一批科研成果；随之而进展2的表面涂覆 cladding，表面上釉 Glazing及表面合金化 SurfaeeAlloing等工艺也取得了相当大的进展；与上述工艺相比较，激光表面热处理是当前比较成熟、应用比较广泛的工艺；31 激光表面处理技术的特点1) 通过挑选激光波长调剂激光功率等手段，能敏捷地对复杂外形工件或工件局部部位实施非接触性急热、急冷；该技术易掌握处理范畴，热影响区小，工件产生的残余应力
3、及变形很小；2) 可在大气、真空及各种气氛中处理，制约条件少，且不造成化学污染；3) 通常，激光表面处理的改性成效比一般处理方法更显著4) 激光束能量集中，密度大，速度快，效率高，成本低；5) 可缩短工艺流程，处理过程中工件可以运动，故特殊适合组织自动化处理线；6) 激光束便于通过导光系统精确地输人与定位，亦能导向多个工作台，可大大提高激光的使用率和处理的效率；7) 激光表面处理特殊适用于大批量处理生产线，其成本比传统的表面热处理低；2 激光表面相变应化 LTH欢迎下载精品学习资源不论激光束是如户J 产生的，激光束仅是一加热金属的热源，金属经激光热处理后，一般不显现反常的治全变化；相变硬化是一
4、种儿乎无尺寸变化而能达到冶金相变的加工技术；利用激光束可以挑选小面积加热和对需要部位硬化；实现激光相变硬化有三个基本条件仁:第一，金属硬化区必需达到奥氏体化温度；其次，在加热与冷却周期内硬化区在奥氏体化温度区应保持足够长的时间，以保证碳能充分的扩散；第三，应具有足够大的自身淬火才能，其冷却速度应超过临界冷却速度；金属经激光相变硬化的冶金变化不同于一般淬火之处有以下几点:4(1) 激光相变硬化后的硬度高于一般淬火；其缘由一方面由于在很高抑制条件下形成马氏体， 另一方面就由于极快的加热和冷却速度使获得变形马氏体；(2) 激光相变硬化才能打算于所处理的材料；一般地说，凡适合于一般淬火的材料也适合于激
5、5光相变硬化；但对低碳钢当其碳含量在0.2%以下时一般淬火一般难于淬硬，而激光相变硬化却可以极快冷却速度使其淬硬；对具有石墨组织的铸铁一般淬火亦不易淬硬，但激光相变硬化也可使其淬硬，尽管在如此短的扩散时间内完成；6(3) 对于含有分散球状碳化物的钢或含大量石墨不含珠光体的铸铁，由于相变时间太短，激光相变硬化难以使其淬硬；工具钢和高速钢的激光表面硬化引起很多讨论者的爱好；Brover13 用脉冲激光器讨论了不同组织的 R6MS 激光高温快速硬化的可能性.试验证明，不同激光能量水平和加热速度与不同原始组 织协作，可以得到不同程度和匀称性的固溶体，从而得到在服役条件下所需要的优化的数值；Mulin
6、等14 用 l000J 的激光器硬化12X18N9T ，13N5A 砧 A 和 1201 工具钢；激光硬化的工具钢的耐磨性是非硬化工具的20 一 25 倍，是带有氮化钦表面涂层的2 一 4 倍；3 激光表面熔化 LSM激光表面熔化在满意表面某些需要，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显出特殊优点；可用激光表面熔化得到细晶组织、非晶态和亚稳相，低的气孔率和光滑的表面，基体中较小的热影响区以及良好的基体与表面的结合；光表面熔化施于钢铁常产生硬度很高的表面，可有效提高耐磨性；施于有色金属常可获得非常细 而匀称的组织广；激光熔化高速钢时，先使原始组织快速熔解，以后冷却时可保留大量己铁素体 和奥氏体，可明
7、显地提高硬度.激光熔化铸铁时可在莱氏体区形成细组织涂层激光熔化镍基合金时，就可得到过饱和基体相的细枝晶结构，同时枝晶区域内细MC 碳化物质点和共晶组成；美国 NASAMarshen 航天中心正致力于提高航天飞机SSME 很多零件的寿命或修复完成每一次飞行任务之后的零件；主燃烧室中最关键的部件是其内衬热壁 ，它由锻造的 NARloy z 制成. 该合金在 580 一 760的温度范畴暴露96h 后，可观看到晶界析出物及无析出区，这些都会降低主燃烧室内衬的寿命 .一旦析出物形成，除了用熔化方法以外，很难用热处理的方法使其回到固溶体中去 .激光上釉是细化锻造NARloy z 的显微组织的一种很有效的
8、方法.用这种方法得到了很细的激光上釉显微组织，其次相匀称分布和错在铜基体中的扩展固溶体，使合金热稳固性和时效硬化得到很大改善；4 激光表面合金化 LSA欢迎下载精品学习资源10很多铁合金等较难熔材料在接触激光功率密度达106W/mm 2 的受热表面时，足以达到1079K/s欢迎下载精品学习资源的加热速度会发生熔化，其中的各种元素扩散进入零件液态金属的薄层内7；当冷却凝固时将形欢迎下载精品学习资源成固溶体和化合物夕表面发生合金化.最近有些国家对利用含Cr，Ni 和 Mo 的铁基合金进行激光表面合金化的工艺产生极大爱好，这种方法既可转变金属性能，又可节省材料、降低成本，可用一般碳钢等廉价材料获得表
9、面耐磨、防蚀和抗高温氧化性很高的零件；用预置石墨粉习通过熔化或熔化后再进行渗碳形成碳化物的表面合金化可明显地提高表面硬度；阻碍激光表面合金化广泛应用的障碍，除设备投资大、成本高外，就是在材料处理过程中表面易产愤怒孔、裂纹以及表面平整度的下降.针对后者，讨论者依据详细情形加强讨论，已经摸索出一些可行的方法 8 ；Ion 用试验证明，激光表面合金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的方法；他使用的激光器功率为6kw ，合金元素为铬，激光合金化层的厚度为0.5mm 9 ，使耐腐蚀性大大提高；Mazulnde 等用激光使 1016 低碳钢表面以铬、锰、碳合金化；结果证明，用激光加工过的材料在销一柱磨损试
10、验中表现出比Stelhte6 合金10 仍要好的耐磨性；作者认为，耐磨性的提高归因于树枝状组织和铬的碳化物，且枝晶越细，耐磨性越好.较低的激光功率和较高的激光一工件相对移动速率可以得到较高耐磨性的合金层；5 激光表面冲击硬化 LSH激光冲击硬化是前苏联学者在70 岁月初提出的；利用极高功率密度大于 10sw/cm，激光束冲击作用时间为1085 数量级甚至更短 工件表面 11，使表层几微 M 的薄层快速被加热汽化；在极短的时间内，金属蒸气由于受到外部介质的限制而在冲击区形成超高压冲击波最大 10GPa 左右；随着冲击波向基体内的传递，会在表层产生压应力区，并显现某些微观特性的转变，从而改善了金属
11、的机械性能； Chan 使用名义功率为10GW/cm 2，脉冲时间为2040ns 的脉冲 Q 开关的YAG 激光器使铸铁、 7075 和 7475 铝合金冲击硬化，冲击振幅为5.6GPa.两种铝合金的疲惫寿命均得到提高 .其缘由是表面存在残余压应力；文献12作者认为，为了得到表面残余压应力，应对热应力的作用和冲击波的作用加以区分；试验说明，使用吸取涂层后可以得到表面残余压应力.由于只有冲击波透人材料，该区域受张力变形，但受四周材料的约束，被约束的区域就是一个压应力区；假如热量进人该区域，膨胀将会导致变形，在冷却时将会产生张应力；激光冲击硬化可以得到与喷丸相近的残余应力水平，但表面损耗更小，且能
12、得到更大的透入深度；6 激光表面熔覆激光熔覆也称激光包覆，是利用肯定功率密度的激光束照耀扫描 被覆金属表层上的外加纯金属或合金 13 ，使之完全熔化，而基材金属表层微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层，从而使基材强化的工艺.激光熔覆的熔化主要发生在外加的纯金属或合金中，基材表层微熔的目的是使之与外加金属达封冶金结合，以增强包覆层与基材的结合力，并防止基材元素与包覆元素相互扩散而转变包覆层的成分和性能13 ；激光熔覆工艺主要有两种:一种是预置涂层法，是用电镀、真空蒸镀、等离子喷涂、火焰喷涂、粘结等方法将要熔覆的金属粉末事先涂覆在基材表 面，然后用激光重熔，这种方法可称为激光涂覆；另一种
13、是同步送料法，即在激光照耀过程中， 将粉末或条、丝状纯金属或合金连续送入熔池内，其中用气体将粉末以肯定角度吹入熔池的方法称为激光喷涂；激光熔覆与合金化类似；可依据要求在表面性能差的低成本钢上制成耐磨、耐 蚀、耐热、耐冲击等各种高性能表面，来代替昂贵的整体高级合金，以节省珍贵金属材料；包覆层组织细小，一般无气孔和空穴；将硬质TIC 颗粒覆于高速钢表面，通过激光包覆处理得到TIC欢迎下载精品学习资源1415熔化层，然后进行快速淬火；这样获得的表面包覆有极高硬度HV2100 一 2700 ，最高可达HV3100 ；高速钢激光包覆的寿命为一般热处理钢的 8.4 倍 ，最高达 11.2 倍；可以预料，这
14、种处理方法将广泛用于加工难切削材料的刀具；较常采纳的激光包覆与基体的组合形式有如下儿种上 :不锈钢一软钢；不锈钢 - 铝；软钢一不锈钢，硬质合金一软钢；硬质合金一黄铜；铁硼一软钢；镍一软钢；铬一钦；除以上所述外，激光包覆工艺仍具有以下独到的优点 :可掌握稀释度，削减局部加热时的热变形，精确掌握零件外形尺寸，可获得良好热结合性和精细淬火组织；7 激光施袖激光上釉是利用激光束熔化金属表面后再以106 /s 的冷速进行快速淬火和凝固夕使合金元素和碳的扩散受到抑制.这样一来，高温相随着其溶解度极限被保留到室温，得到过饱和固溶体. 然后再重新加热进行弥散硬化处理；此亚稳相的热处理使金属的硬度和强度进一步
15、提高.激光施釉的快速冷却供应了很多有用的冶金结构，如非晶态组织，即金属玻璃；“施釉”一词即由此而来. 激光施釉层常包括非晶层与结晶层，结晶层内主要为枝晶区，内与基体相连，非晶层为表面层；激光施釉结合火焰喷涂、离子喷涂、离子沉积等沉积技术在掌握组织、提高表面抗蚀、耐磨15和性能方面日益显示出宽阔的应用前景；冷态工具钢50CrNi 3 ， X1CrMOV 12 、热态工具钢NICrMoV ，X 32CrMoV 33和高速钢先进行离子涂WC 一 Co，然后激光施釉可显著提高硬度；电子材料、磁性材料和其它一些电气材料用激光施釉后用于检验外表上极为抱负；8 激光退火激光退火有两类 :一类是激光诱导表面熔
16、化，通常称“激光退火”；另一类是用激光束进行局部软化退火；激光退火常应用于半导体，可排除硅中离子注入所产生的严峻膨胀损耗，如对石墨16带加热器已应用激光退火，可在Si 层上形成SiO2 层；氧化物层通过别中氧离子注入形成；离子注入后表面 Si 层是高无序的，但尚不是非晶态，高温1200 退火将保持此Si 层的晶性；曾对冷加工金属CuNi 4 ， SMnZ ， SA14 ， CuNi78Z: ，卫；， X12CrNi 3 和低碳钢 和时效硬化材料AIMgsiZ 的局部软化进行了讨论；变形冷加工金属被加热至某一不熔化或熔化温度时，会发生局部再结晶而降低硬度.可以预料，对整体材料的激光退火将会逐步被
17、应用到材料加工制造工业上；9 激光气相沉积17激光气相沉积可分为激光物理气相沉积和激光化学气相沉积，可以在基板上形成各种性能的薄膜，成膜速度快，质量好；如用激光物理气相沉积可以形成各种氧化物、氮化物的陶瓷镀膜和氧化物高温超导膜；用激光化学气相沉积可合成金刚石薄膜和非晶态硅；日本已用激光化学气相沉积法生长出五氧化担薄膜，该薄膜具有极高的耐蚀性；将分子束外延法和准分子激光技术结合起来，可以一层层地掌握氧化物薄膜的形成过程；日本利用该技术已在Si 上形成 30 层共 90 10 10m 厚的极薄氧化柿膜，一层厚约310 10m；目前，激光气相沉积技术的讨论和应用正在蓬勃兴起；10 激光表面处理过程中
18、的残余应力欢迎下载精品学习资源18激光表面处理可引起残余应力，但也可以降低或排除已产生的残余应力；残余应力常是由未发生熔化的激光相变硬化诱导出来的，其特点为表面处理层上显现压应力，下方的加热层显现拉1920应力.通常后者较强而且非常危急，它可导致裂纹.以 45 钢为例，由激相变诱出的残余应力通常从压应力 200MPa 变化至 260MPa，拉应力从 300MPa 变化至 850MPa在中碳钢中激光相变硬化产生的残余应力比在合金钢中的成效好.经多次激光处理反复显现软化和表面拉应力的情形，是不 抱负的；对马氏体钢用Co 基或 Ni 基粉末进行包层时所诱出的残余应力在包层中为拉应力，基体中为压应力
19、.在包层表面可出观285MPa 的高表面残余拉应力；通常皆采纳高频加热、电阻加热、放热式混合加热等方法来降低残余应力；但是这些方法的作用过程都比较慢，所以现已采纳高剧烈度的激光加热来降低残余应力；明显，通过快速供热和结构转变可产生热静力学波，当入射能量强度是足够高能熔化金属时，可有效排除表面应力.热弹性波可使动应力松驰，当在表面层显现时，也能导致应力排除；11 终止语为了使激光表面处理技术获得更普遍的应用，仍需解决好以下几个问题 :l 研制出性能稳固牢靠、成本低的大功率激光设备；提高设备的配套化和自动化程度，以更好地实现精确的温度掌握；扩大激光表面处理技术的应用范畴；推动宽带扫描技术的进展，以
20、解决窄带扫描搭接带软化问题；进一步提高生产率；促进激光表面处理技术的普遍应用；(2) 加强对激光表面处理技术改性机理的讨论，解决好温度场测定不够精确的间题，加强相关测试技术的讨论，并从理论上加强对某些激光表面处理技术产生表面残余拉应力和裂纹的机理讨论，提出详细解决措施；(3) 系统地讨论激光表面处理工艺参数、材料性能、表面状况吸光率 等对处理后表面层性能的影响，把握正确工艺参数组合，进展成形工艺；(4) 加强对激光表面处理后材料微观结构或质量 的无损评判设备的讨论；提高材料的表面性能将成为今后材料科学和制造业的重要进展方向，激光表面处理技术以其特殊优点促进了材料表面改性处理工艺技术的进展；随着
21、人们对激光表面处理技术讨论的日益深化，这项技术将会在将来的工业进展中发挥日益重要的作用；参考文献 :l 朱企业等 .激光精密加工 .机械工业出版社， 19902 熊剑.国外热处理新技术 .冶金工业出版社 .1990欢迎下载精品学习资源3 张世杰等 .激光表面热处理的现状及其进展.航空工艺技术， 19892:1 一 64 沈利群 .铸铁的激光热处理现状 .金属热处理， 19935:3 一 55 李炳华 .激光表面改性技术在发动机零件上的应用.金属热处理； 19945:386 姚建华 .铝合金激光表面处理技术及其进展.新技术新工艺， 19941:39407 荣烈润 .激光表面改性技术的应用现状与进
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