激光表面处理技术及其进展

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1、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：激光具有巨大的技术潜力，在冶金和材料加工中发展迅速，应用广泛。激光表面处理由于其对工业和生产作出了巨大贡献，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研究与应用近况，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前言激光的出现时近代物理学的一个重大进展。第一台激光器于60年代初问世，对激光表面热处理工艺的研究早在激光器诞生后不久就已经开始，但直到60年代末、

2、70年代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成功，标志此技术的应用进人了新灼阶段。随着大功率激光器的研制成功与不断完善，这一新工艺用于汽车转向器表面处理的生产线[1]。国内经过“六五”计划的联合攻关，已在汽缸套等零部件的表面热处理上获得成功，取得了一批科研成果。随之而发展的表面涂覆(cladding)，表面上釉(Glazing)及表面合金化(SurfaeeAlloing)等工艺[2]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。1激光表面处理

3、技术的特点[3]1)通过选择激光波长调节激光功率等手段，能灵活地对复杂形状工件或工件局部部位实施非接触性急热、急冷。该技术易控制处理范围，热影响区小，工件产生的残余应力及变形很小。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效果比普通处理方法更显著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，故特别适合组织自动化处理线。6)激光束便于通过导光系统准确地输人与定位，亦能导向多个工作台，可大大提高激光的使用

4、率和处理的效率。7)激光表面处理尤其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)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，一般不出现异常的治全变化。相变硬化是一种儿乎无尺寸变化而能达到冶金相变的加工技术。利用激光束可以选择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，金属硬化区必须达到奥氏体化温度;第二，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

5、能力，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普通淬火之处有以下几点:(1)激光相变硬化后的硬度高于普通淬火。其原因一方面由于在很高抑制条件下形成马氏体，另一方面则由于极快的加热和冷却速度使获得变形马氏体[4]。(2)激光相变硬化能力决定于所处理的材料。一般地说，凡适合于普通淬火的材料也适合于激光相变硬化。但对低碳钢当其碳含量在0.2%以下时普通淬火一般难于淬硬[5]，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普通淬火亦不易淬硬，但激光相变硬化也可使其淬硬，

6、尽管在如此短的扩散时间内完成。(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许多研究者的兴趣[6]。Brover[13]用脉冲激光器研究了不同组织的R6MS激光高温快速硬化的可能性.实验证明，不同激光能量水平和加热速度与不同原始组织配合，可以得到不同程度和均匀性的固溶体，从而得到在服役条件下所需要的优化的数值。Mulin等[14]用l000J的激光器硬化12X18N9T，13N5A砧A和1201工具钢。激光硬化

7、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)激光表面熔化在满足表面某些需要，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显出独特优点。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十分细而均匀的组织广。激光熔化高速钢时，先使原始组织迅速熔解，以后冷却时可保留大量己铁素体和奥氏体，可明显地提高硬度.激光熔化铸铁时

8、可在莱氏体区形成细组织涂层激光熔化镍基合金时，则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)许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℃的温度范围暴露96h后，可观察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