《激光相变及应用》PPT课件

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1、激光与物质相互作用任课老师：秦应雄讲师电话：87541774/62274402Email:qyx@hust.edu.cnLaser-MatterInteraction本科课程试讲内容提要第三章激光辐照下的热效应及应用3.1激光相变及应用（1）激光热效应概述（2）金属学相关知识（3）激光相变机理（4）激光相变技术（5）激光相变应用要求：1、掌握材料在激光热作用下的相变机理与特点2、熟悉激光相变的相关应用。思考：1、材料表面激光相变硬化的两个主要条件是什么？对激光光束和工件有什么要求？（1）激光热效应

2、概述激光热效应概述一般而言，从激光能量角度，激光与物质相互作用具有如下规律：103～104W/cm2104～106W/cm2106～108W/cm2108W/cm2以上加热相变熔融气化等离子体相变硬化、退火焊接、熔覆、快速制造打孔、切割推进、镀膜微纳制造等（1）金属学相关基础钢铁是机械工业中应用最广的材料。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，得到不同的应用要求，如不同机械性能的结

3、构钢、工具钢等。热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺。相关知识什么是相、组织、相变、淬火？相是由成分相同、结构相似、性能相同的物质组成。组织是一种结合形态，可以由一个相和多个相组成。奥氏体相铁素体相奥氏体相：碳在面心立方铁中的间隙固溶体（相变温度以上）铁素体相：碳在体心立方铁中的间隙固溶体（低温）马氏体相：碳在体心立方铁中的过饱和间隙固溶体（快冷组织，硬度高）马氏体奥氏体相变常指一种组织（相）在温度或压力变化时，转变为另一种或多种组

4、织（相）的过程。淬火是将钢（铁素体）加热到临界温度以上，保温一段时间，形成奥氏体，然后很快放入淬火剂中，使其以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度。铁碳相图转变温度连续冷却曲线(1)高温转变－在A1～550℃之间,过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织,此温区称珠光体转变区。(2)中温转变－在550℃～Ms之间,过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织,此温区称贝氏体转变区。(3)过冷A转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在Ms～Mf之间,该温区称马氏体转变区

5、。（1）激光相变机理激光照射材料材料反射与吸收温度快速升高奥氏体转变快速冷却马氏体转变淬火硬化机制是：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度（升温速度可达103—106℃.s-1以上），此时工件内部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向内部传递，使表层以极高的冷却速度(可达106℃.s-1)冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。激光相变的条件1.Tmax(0,t):相变温度（奥氏体化温度）以上，且熔点以下；2.必须在相变点A1处以高

6、于临界冷却速度冷却。功率密度：103～104W/cm2自身工件具有一定大小，实现自我快速冷却。能量扩散激光入射激光反射温度条件：温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。如果材料吸收激光的能量远大于扩散的能量，激光光斑处的温度温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化，反之，激光光斑处的温度升高将很有限。激光表面淬火特点质量优势技术特质适用材料实际应用1．淬火零件不变形激光淬火的热循环过程快中碳钢大型轴类2．几乎不破坏表面粗糙度采用防氧化保护薄涂层模具钢各种模具3．激光淬火不开裂精确定量

7、的数控淬火冷作模具钢模具、刃具4．对局部、沟、槽淬火定位精确的数控淬火中碳合金钢减振器5．激光淬火清洁、高效不需要水或油等冷却介质铸铁材料发动机汽缸6．淬火硬度比常规方法高淬火层组织细密、强韧性好高碳合金钢大型轧辊（2）激光相变技术A,B部分硬化C部分硬化不够如何提高相变硬化深度、均匀性、效率，减少缺陷？工件预处理方法磷化：工件表面形成一层磷酸锰等磷化薄膜。经过鳞化后材料表面吸收率80%以上。黑漆：其主要成分为石墨粉和碳酸钠或硅酸钾，采用喷涂法。碳素石墨：小批量的激光相变淬火试验时，经济又方便。S

8、iO2型涂料国内90年代研制了一种以SiO2为骨料的可喷材料。选用200—300目精制石英粉，其中涂料被认为除对激光有较高吸收率外，还能在激光辐射下形成液态均匀覆盖于金属表面，冷却后形成固态薄膜。日本佳友公司还开发出一种Nextel01型涂料，对CO2激光的吸收率可达90—95%，其主要成分也是SiO2。光束均匀化变换系统振镜转镜积分镜转镜轧辊激光表面强化轧辊激光表面工艺（四）选定工艺参数轧辊机加工轧辊吊上激光加工机床装夹（一）轧辊表面清洗轧辊吊离激光加工机床（五）激光表面强化（三