激光表面改性技术.docx

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1、激光表面改性技术 1激光表面改性技术发展历程 激光的独创及应用是20世纪对人类文明及社会进步影响最深远的重大科技成果之一，激光技术在材料科学及制造科学中的应用，大大促进了材料科学与工程及先进制造技术的发展激光表面改性是运用高能激光束对工件表面进行变更性能的技术，具有很多独有的特点。从20世纪60年头激光问世以来，激光技术作为一门崭新的高新技术，几乎在各行各业都获得了重要的应用。20世纪70年头中期大功率激光器的出现，使激光绿色再制造技术不仅在探讨和开发方面得到快速发展，在工业应用方面也取得了长足进步。经过30年的迅猛发展，激光绿色再制造技术已在汽车、冶金、纺织等行业得到胜利的应用，获得了良好的

2、社会效益和经济效益。激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，很多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了很多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将变更我国汽车覆盖件的钢板完全依靠进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90以上。 激光具有四大特性:高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。激光的能最密度高（可达104-108 M/cm2)，作用于工件表面时形成局部高温，基体的加热速度和冷却速度极快，般可达104-108 /S。与传统的热加工技术相比，激光加工对基

3、体的热影响区小得多，因此工件一般不产生热变形或变形量微小。此外，由于激光加工是光子与材料相互接触，故而对环境的污染小，是名副其实的绿色加工技术。进行激光表面改性处理的目的是为了制取与基体性能有较大差异的改性层，它包括激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆等技术。激光淬火是运用高能激光束对工件以定速度进行扫描，使工件在激光照耀下瞬间达到相变点以上高温，然后以极高的速度冷却，达到表面淬火的效果。激光表面合金化是添加某一种或几种合金元素在基体表面，在激光束的照耀下形成熔池，并与基体材料发生冶金反应，获得含基体元素和添加元素的合余改性层。激光熔覆是将某种合金干脆熔焊在基体表面，它与激光表面合金化比较类似，

4、但两者的区分在于激光熔覆过程中表面改性层一般不掺杂基体元素。 表面工程 激光表面改性技术是提高金属表面性能的有效手段，能够大幅度提高工件的运用寿命。与其他一些金属表面改性技术相比，激光表面改性技术的优点非常突出：1激光表面改性层稀释率低，且既可是多组元的化合物层，也可以是具有多种性能匹配的梯度涂层; 2激光表面改性层厚度简单调整，并可采纳机加工的方式限制表面精度;3激光表面改性层与基体呈坚固的冶金结合，不会出现剥落现象; 4激光表面改性处理速度快，热影响区小，不会引起基材性能和尺寸改变。 综上所述，采纳先进的激光表面改性技术，干脆在金属表面制备一层具有低摩擦系数、优异耐磨性能、优异抗高温氧化性

5、能或优异的生物力学相容性并与金属基材之间为坚固冶金结合的特别材料的冶金涂层，无疑是在保持金属固有性能优点的条件下，从根本上解决金属性能缺点的最有效、最经济、最敏捷和最具可设计性的方法之一。 2激光技术在国内外发呈现状 激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据19971998年的最新激光市场评述和预料，1997年全世界总激光器市场销售额达32.2亿美元，比1996年增长14，其中材料加工为 8.29亿美元，医疗应用3亿美元，探讨领域1.5亿美元。1998年总

6、收入预料增长19，可达到38.2亿美元。其中占第一位的材料加工预料超过10 亿美元，医用激光器是国外其次大应用。 我国科研成果转化为商品的实力差，很多有市场前景的成果停留在试验室的样机阶段；激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、牢靠性差。国外不仅二级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中，而且二级管激光器也被应用，而我国二极管泵浦的全固态激光器还处在刚起先探讨开发阶段。对加工技术的探讨少，尤其对精细加工技术的探讨更为薄弱，对紫外波激光进行加工的探讨进行的极少。激光加工设备的牢靠性、平安性、可修理性、配套性较差，难以满意工业生产的须要。而欧美及日本主要的大型船厂已大量采纳激光加工技术。目

7、前美国、欧洲等地区正在进行大功率光纤激光工 表面工程 业加工设备的开发 , 正在开发的有 2KW、6KW 输出的工业级光纤激光器的加工设备的二次开发。我国已开发出了中小功率系列工业光纤激光设备 , 但大功率光纤激光器工业加工应用尚是空白 , 在我国造船工业中几乎还没有运用激光加工技术。 激光表面改性技术是材料表面工程技术最新发展的领域之一。这项技术主要包括激光表面相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光冲击硬化、激光非晶化及微精化等多种工艺。其中，激光相变硬化和激光熔覆是目前国内外探讨和应用最多的两种工艺。 激光表面相变硬化: 与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层组织细化、硬

8、度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面进行硬化处理。 激光熔覆:是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光幅照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量改变大等特点。 1、激光表面改性的技术特点 （1）可在零件表面形成细小匀称、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量

9、表面强化层。可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲惫的实力以及制备特别的耐腐蚀功能表层； （2）强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决很多传统表面强化技术难以解决的技术关键； （3）易与其它表面处理技术复合，激光表面改性可以便利地与其它表面工程技术结合起来，产生所谓其次代表面工程技术复合表面改性技术。可以综合传统表面改性技术与激光表面改性的优势，弥补甚至消退各自的局限性，展示了很大的潜力； （4）由于高能量密度的激光作用，可实现工件快速加热到相变温度以上，并依靠零件本体热传导实现急冷，无须冷却介质，而冷却特性优异。形成的表面强化层 3 表面工程 硬度比常规方法处理的高15%20%左右，添加合

10、金元素和特别的工艺方法，可显著提高工件的综合性能； （5）激光束能量密度高，对非激光照耀部位几乎没有影响，即热影响区小，工件热变形可由加工工艺限制到较小的程度，后续加工余量小。有些加工件经激光处理后，甚至可干脆投入运用； （6）由于是无接触加工，激光束的能量可连续调整，并且没有惯性。协作数控系统，可以实现柔性加工。另外，激光束的可控性好，只要采纳光学的束操作技术来适当地引导激光束至工件的不同部位，就可以实现精确的可选择的材料局部表面改性。可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，以及表面有肯定高度差的零件，可进行敏捷的局部强化； （7）无须真空条件，即使在进行特别的合金化处理时，也只需吹爱

11、护性气体即可有效防止氧化及元素烧损； （8）易于实现信息化、智能化，可以引入近代计算机、机器人等高技术装备，使激光束的产生及操纵信息化、智能化，例如已推出的可实现困难形态立体工件的多种类表面工程的五轴联动激光柔性加工中心，它作为一种新型的光、机、电一体化的工作母机，显示了很大的市场竞争实力。另外，配有计算机限制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特殊适用于生产率很高的机械化、自动化生产； （9）激光器本身具有很大的发展潜力，产生激光束的装置无论品种还是效率都有很大的发展潜力. 2、半导体激光表面改性 最近十年，激光熔覆技术已被用来修复各种零件的破损部分。然而YAG和CO2激光器产生的与材料

12、尤其是金属材料耦合不够志向的激光束和成本高的问题始终阻碍着该项技术的进一步发展。通过调整激光熔覆条件可以取得进展，但是仍旧面临着热循环对基体金属会产生较大影响这一难题。半导体激光器有望解决这一难题。因此半导体激光熔覆技术将为零件破损部分的修复开拓一个全新的领域。该技术的推广有利于报废零件的循环再利用，从而可以大大节约成本。 3、集成化激光智能制造及柔性加工2-4 激光表面改性本身就是材料科学与工程、激光、现代制造、计算机限制、智能测量等多学科或学科方向的跨学科结合的产物，因此针对重大工程应用目标，例如汽车冲压模，研制集成化的激光智能制造及柔性加工系统具有重要意义。 表面工程 激光柔性加工是新兴

13、的加工技术,其过程仿真的探讨从一起先就可以综合考虑几何与物理层面以进行完整仿真。以汽车覆盖件模具的激光表面硬化过程为例,综合分析影响其加工效果的各种加工因素，建立激光硬化加工工艺力学模型，并嵌入到虚拟激光柔性加工平台中，在虚拟环境中进行完整的过程仿真。 激光柔性加工是由计算机限制系统实现对不同批量、不同种类的产品实行不同激光加工方式(切割、焊接、表面处理等)，进而提高设备利用率，缩短产品周期，提高对市场的响应速度和竞争实力的一种自动化加工。激光加工方式不同，即与材料的作用机理不同,因此不行能建立一个可以囊括全部机理的物理模型,但虚拟加工平台是针对柔性设备而建，故可以建立一个统一的虚拟激光加工平

14、台、统一的体系结构。将不同激光加工方式的物理模型嵌入虚拟平台中就可以进行完整过程仿真。激光柔性加工过程是加工机器人将激光加工头带到须要加工的加工区,加工头以肯定方向输出激光来加工材料(切割、焊接、表面处理等)。 3.激光表面工程技术主要应用领域 石油和冶金行业的应用 目前，我国冶金行量已有二十多家相继组建胜利和将筹建激光加工中心，进行冶金机械备件的激光表面淬火、熔覆、合金化、轧辊表面激光毛化(刻花)、薄钢板激光切割、焊接等激光表面加工技术。从对我国部分钢铁企业应用激光加工技术的考察表明：激光加工设备运行稳定牢靠、加工成本低、加工工艺技术成熟、产品质量优良、经济和社会效益显著。可以利用激光表面强

15、化处理冶金大宗消耗备件，例如：铸铁轧辊、铸钢轧辊、园盘热锯片、热剪刃、输送辊、扭转辊、导卫、导卫盒、挠结机滑板角合器、轧机人字齿轮轴、齿接手、天车轮、减速机齿轮、齿轮轴、平面蜗杆、拉丝机卷筒、塔轮、托辊、链轮、链板、销套、销轴等形态各异、大小不等的备件。如新疆八一钢铁公司对齿轮、轴、天车轮导卫、轧辊等的激光强化处理，硬度均提高0.51倍以上。 汽车和磨具行业的应用 在汽车工业方面，激光表面强化工艺有广泛的应用前景。它可以改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。延长在各种恶劣工作条件下工作的汽车零部件如轴承、轴承保持架、气缸、衬套、活塞环、凸轮、心轴、阀门和传动构件等的运用寿命，从而提高汽车整体

16、的运用性能。目前全球汽车制造商对生产量最大的6缸汽油发动机曲轴大都已采纳球墨铸铁材质。球铁经激光表面强化处理后，可使其轴颈的耐磨性有较大幅度提高。激光表面强化是一种局部的表面处理的好方法，特殊适于不要求整体强化或其它方法难以处理的零件。对于汽车上所用各种牌号的铸铁、碳钢、低合金钢、工具钢、弹簧钢等零件有肯定的应用前景。 激光表面改性技术在模具行业受到了广泛的重视和推广，在经济效益和项目开发上呈现 表面工程 不断上升的趋势。美国莫斯德克公司采纳屏蔽方法，胜利地对模具刃口实施了激光淬火。即通过适当的屏蔽，使激光辐射在刃口的两侧面上，热量由金属体传达刃口，使其限制在相变温度范围内，以实现淬火的目的。

17、该方法还适用于汽车增压涡轮叶片排气边的热处理。详细做法是用不锈钢薄壁管作为屏蔽物，管内通水冷却，流量为5加仑秒。管子离开刃口肯定距离，激光直对刃口扫描，模具刃口两侧面受热，热量由两侧面传导而汇合于刃口，从而使刃口部位的温度限制在淬火所需温度以实现淬火。 4 激光绿色再制造的将来 激光绿色再制造技术，是将来工业应用潜力最大的绿色再制造技术之一。具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械 电器 航空 兵器 汽车等制造行业。利用激光表面处理技术在一些表面性能差和价格便宜的基体金属表面合金层，用以取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，使廉价材料获得应用，从而大幅度降低成本。还可以用来研制新材料和代用材

18、料，制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，应用在太空 高温柔化学腐蚀环境条件下的机械零件上。还可推广应用于冶金、机械和船舶修理中，关键部件的尺寸修复，例如各种轧机轧辊、大型船舶的艉轴、轴承座，发电机、舵机、锚机等辅机轴，各种阀门密封面、泵轴套、柱塞、机械密封环等运动部件，这些部件往往由于关键部位磨损超差，不能运用，针对部件材质、磨损形式和运用条件，选择适当的激光表面强化技术进行修复，寿命甚至比原部件高。激光绿色再制造已呈现出具有广袤的应用和发展前景。 参考文献 1 马春印.激光表面工程技术及应用 J.四川兵工学报, 2003, 24(2): 25-41.2陈华.破解汽车冲压模具技术难

19、题.北京: 科技日报（产经月刊）, 2004, 22(6):9.3傅戈雁, 石世宏.截止阀密封面激光熔覆强化 J.阀门, 1999, (3):24-25.4张桃红, 虞钢.虚拟激光柔性加工的完整过程仿真模型探讨-覆盖件模具的激光硬化 J.中国机械工程, 2005,16(7):574-577.5 刘晋春，赵家齐，赵万生主编.特种加工.北京：机械工业出版社，2000 6 朱企业等编.激光精密加工.北京：机械工业出版社，1995 7 张永康主编.激光加工技术.北京：化学工业出版社，2004 8 曹凤国主编.激光加工技术.北京：北京科学技术出版社 2007 6 表面工程 9 张建华 主编.精密与特种加

20、工.北京：机械工业出版社，2006 10徐滨士，刘世参，马世宁，等。绿色再制造工程设计基础及其关键技术J.中国表面工程，2001.14（2）：12-15。 激光表面改性技术 激光表面热处理技术举荐 表面改性技术综述 表面改性技术课程探讨生考试题 表面技术 激光切割技术 激光原理与激光技术试卷（举荐） 材料表面技术 铜表面技术 飞秒激光技术 本文来源：网络收集与整理，如有侵权，请联系作者删除，谢谢！第14页 共14页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页