激光表面强化技术课程论

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1、激光表面强化技术的研究学院：机械工程学院姓名：夏春礼学号：2150689激光表面强化技术疲劳、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

2、的引入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。

3、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。激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波，激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光 (直径只有0．1mm)，从而可以获得极高的功率密度(104~10W／cm2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。随着大功率激光器以及激光束调制、瞄准等

4、技术的发展，激光技术进入到金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发展。 一、 激光表面强化技术 常用的激光表面强化技术主要有三种：激光表面淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆与合金化。 激光表面淬火是激光表面处理中最成熟、应用最广泛的一种技术。将激光照射到具有固态相变的铁碳合金工件表面上，使表面温度迅速升到材料相变温度；当激光移开后，表层被处于常温的内层材料迅速冷却而自行淬火，从而使表层组织结构和性能发生明显变化。激光淬火处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高5％～20％．可获得极细的硬化层组织。淬硬层一般在0.1～1.2mm。可以对形状

5、复杂的零件和不能用其它常规方法处理的零件进行局部硬化处理．如具有沟槽的零件。由于激光加热速度快，因而热影响区小．淬火应力及变形小。一般认为激光淬火处理几乎不产生变形，但厚度小于5mm的零件其变形仍不可忽视。 激光熔凝淬火是以高功率密度的激光，在极短的时间内与金属相互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到熔化状态。随后，借助冷态金属基体的吸热和传导作用，使得已熔化的表层金属快速凝固，产生细小的铸态组织。由于激光熔凝淬火允许金属表面熔化，实际操作时可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的扫描速度，因此激光熔凝淬硬层深度比前者更深，一般在1.5～2.5mm。

6、激光熔凝淬火的不足之处在于，激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低的幅度取决于激光加工的工艺参数，而激光表面淬火可以基本保持工件表面粗糙度不变。 激光表面淬火与熔凝淬火的共同特点是，不需要改变材料的成分，主要利用轧辊材料自身的特性，发生马氏体相变来强化轧辊表面。进行激光淬火与熔凝淬火前，需要预先涂覆一层吸光涂料来增强轧辊表面对激光的吸收率。对于激光熔凝处理来说，所使用的涂料还应该起到使激光熔池流平与造渣的作用。因此，涂料的配方对于激光工艺的顺利实施以及硬面层组织与性能的影响至关重要。 激光熔覆与合金化。激光熔覆技术是采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能

7、的材料, 以改善工件表面性能的工艺。与传统的喷焊或者堆焊工艺相比，激光熔覆技术具有如下优点：（1） 激光束的能量密度高，只要注入较少的能量就可以完成激光熔覆。零件热影响区小，变形小，因此适合强化或者修复一些对变形要求严格的零件。（2） 激光熔覆层稀释率低，且可以精确控制，熔覆层的成分与性能主要取决于熔覆材料的成分。因此，可以采用各种性能优良的材料对基材表面进行改性。特别是可以采用激光熔覆技术修复一些常规堆焊工艺无法实现的工件，如涡轮发动机叶片、轧辊的主轴、电机主轴等。（3）激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，熔覆层与基材为冶金结合，强度高，因此可以用于一些重载

8、条件下零件的表面强化与修复，如大型轧辊、大型齿轮、大型曲轴等零件的