【材料物理性能】激光在材料热处理中的应用

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1、威#劣次摩HarbinInstituteofTechnology激光在柯料热处理中的应用课程名称::材料特理眺能院系：材科科学与工程班级：1219001班设计者：膠免松学号：1121900133茺成时间：2014.12.22哈尔滨工业大学摘要：激光作为一种具冇卨亮度、高方内性、高能ft集屮的光源，在机械加工和材料热处理屮均诃发挥重耍的作用，尤其在轧辊表W热处理中能取得不可替代的效果。激光表面改性技术是激光技术和金屈热处理相结合的产物。伴随着激光技术的飞速发展，激光表而改性技术展现出了蓬勃的生命力，成

2、为表而工程中十分活跃的新兴领域。木文从一定角度阐述了激光处理的机理并介绍了其在材料热处理屮的应用。关键字：激光；热处理；表面处理；改性一、引言激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波，通过透镜聚焦后，可以方便而集巾的施加高密度（104^109W/cm2）的能量，对材料表而瞬时产生加热、熔化、冲击等作用。金属材料在不同激光强度和辐射时间作用下，历经吸收光朿、能量传递、金属组织的改变、激光作用的冷却儿个阶段后在表面形成一定厚度的处理层，改变了物理及化学结构，从而改善材料表面的物理性能、力学性能、

3、冶金性能等，达到工件耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损的目的。二、激光发生原理和特点激光器主要由激活媒质、激发装罝和光学谐振腔组成。激活媒质可以是原子、离子或分子等，其特点是当它受到外界的激发后（例如光、电等激发〉，在某两个能阶间当高能阶的粒子数0多于低能阶的粒子数目时，能量呈现“粒子数反转”，只有在这样情况下，受激辐射才能占优势地进行下去。“粒子数反转”是一种非热平衡状态，因为在热平衡状态下，根据玻尔兹曼分布定律，高能阶的粒子数目总是少于低能阶粒子数0的。光学谐振腔是由激光器腔体和轴向两端的反射镜组成，输出端

4、的反射率为95%左右,输人端为100%。当一种激活媒质受到外界激发产生辐射时，在光学谐振腔内其传播方向与腔体轴向相同的光子将引起它激发态的激活媒质产生感应跃迁，并迅速的增长而获得增益。若这种增益能补偿由其它原因（如界面透出、吸收、散射、衍射等）的损失，则这种传播就会持续地进行下去，形成光振荡，并由输出端给出，即形成激光。激光具有以下特点：高方向性：激光束的发散角小于一个到几个毫弧度，可以认为输出的光束基本上是平行的。高亮度性：激光器发射山的光速非常强，再通过聚焦使其集中到一个极小的范围㈧，可以得到极

5、高的能量密度和功率密度。高单色性：激光的频率范围非常窄，其空间和时间相干性极好。激光的三种特性是相关联的。虽然在金属加工时对它的单然性要求不高，但只有相干的光在它的传播过程中才能保持平行，避免大的扩散。因此才能把光波的能呈传输到较远处，通过聚焦使它在极小区域内得到极高的能量密度，从而在金属加工和热处理中显示其独特的作用。随着激光朿调制、瞄准等技术的发展，大功率激光器的相继岀现，激光技术进入金属表面合金化及热处理技术领域，在材料加工屮展现出其他表面处理技术难以比拟的优点：激光表面处理是无接触加工，无污

6、染，绿色生产；激光能量作用集中，加工时间短，热影响区小，材料变形小，无需后续加工；激光能量传递方便，加工柔性好，适用面广，可以通过调节灵活的导光系统，进行选择性的局部处理；激光表而处理自动化程度高，可以通过计算机控制加工复杂形状的工件，易实现自动化生产；激光能量密度岛，能够瞬间熔化、气化材料，对难熔材料和高导热材料亦适用；激光表面处理后的改性层和基体材料之间形成致密的冶金结合，具有较高的硬度和耐磨性，改性效果更显著。可以说，激光表而改性技术是将现代物理学、材料科学、先进制造技术等多学科的知识和成果交

7、叉结合在一起的一种高新技术，是在未來工业应用中最有潜力的表面改性技术之一，已经并将继续给整个社会带来巨大的效益。一方面，通过激光表面处理技术使一些价格便宜、表面性能差的基体金属材料表面上能制备出耐腐蚀、耐磨和耐高温的表面合金涂层，用以替代价格昂贵的合金，使廉价材料得以应用，同时节约了贵重金属和战略材料，从而使成本大幅度降低。另一方面，还可以用来研制替代材料和新材料，制造出与传统冶金方法在性能上根本不同的合金，应用在高温、化学腐蚀和太空环境条件下的机械零部件上。四、激光技术的应用现阶段的激光技术已经渗

8、透到了工农业生产、医疗、国防等领域，激光处理技术因其效率高、可控易操作、绿色环保等优点，显现出强大的生命力。根据激光束与材料表谢作用的功率密度、作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光表而改性。激光表而改性方式有激光表面淬火、激光表ifif熔凝、激光表囬合金化、激光熔覆、激光表面非晶化、激光诱导沉积技术等。1.激光表而淬火激光表Ifif淬火是现在应用最广的高新激光加工技术之一。它可以按照激光在材料表而的作用时间和能量密度差异分为激光相变淬火和激光熔凝淬火两类。激