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1、物理学和高新技术3激光和电子束表面强化技术的发展及其应用1)宋仁国 陈光南 张 坤(中国科学院力学研究所 北京 100080)摘 要 激光和电子束表面强化是当前引人注目的两种高新技术.文章系统地介绍了这两种技术的发展状况及应用,同时比较了二者的优缺点.最后,对目前存在的问题及未来的发展方向作了简要的讨论.关键词 激光,电子束,表面强化APPLICATIONANDDEVELOPMENTOFSURFACESTRENGTHENINGPROCESSESWITHLASERANDELECTRONBEAMSSONGRen2GuoCHENGuan2NanZHANGKun(In
2、stituteofMechanics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080)AbstractSurfacestrengtheningprocesseswithlaserandelectronbeamsareattractinggreatattention.Theap2plicationanddevelopmentofthisnewtechnologyisdescribed,andtheprosandcensoflaserversuselectronbeamtechniquesarecompared.Finally,present
3、problemsandfutureprospectsarediscussed.Keywordslaser,electronbeam,surfacestrengthening的到来.从此,各种激光器和激光应用技术如雨后春1 引言笋般地发展起来,促使很多科技领域进行革新和发展,同时激光技术本身也得到了极快的发展.最初,随着高新技术的飞速发展,人们对提高金属材科学家利用激光作为热源进行金属的焊接、切割和料的性能,拓宽其功能,延长仪器设备中零部件的使打孔等;从70年代起,开始研究它在金属表面强化用寿命等提出了更高的要求,但同时又希望成本越方面的应用.目前,激光表面强化已发展成
4、为包括许低越好.鉴于许多零部件的破坏都是从表面损伤开多分支的工艺技术,主要有激光相变硬化(laser始的,例如承受耐磨、腐蚀的机件均为表面失效,因phasetransitionhardening)、激光合金化(laseralloy2此材料科学工作者开始把注意力从整体强化转向材ing)、激光涂敷(lasercladding)、激光快速熔凝(laser料的表面强化.正是在这一背景下,近年来表面工程rapidmeltingandsolidification)、激光非晶化(laser技术及其相关学科发展极快,尤其是激光和电子束glazing)及激光冲击硬化(lasershoc
5、khardening)[6—10]表面强化技术的研究及其应用均取得了许多重要的等.各种激光表面强化技术的工艺特性见进展[1—5],深受人们的广泛重视,因而成为当前材表1. 由于激光表面强化技术的研究与开发具有显著料科学研究中异常活跃的领域之一.的经济效益,因此世界各主要发达国家对激光表面强化技术的工艺方法及其理论研究均十分重视,都2 激光表面强化制定了自己的激光技术发展计划.无论是试验研究还是工业实用化,美国均处于领先地位,其应用已扩211 国内外激光表面强化技术的研究及应用现状1960年,当美国物理学家T.Maiman用直径3 国家自然科学基金重点资助项目6mm、
6、长45mm的红宝石单晶发射出第一束波长为1)通讯联系人.北京航空航天大学应用物理系,北京 100083016943μm的红色脉冲激光时,即宣告了激光时代1999-11-15收到初稿,1999-12-23修回29卷(2000年)7期·411·特殊部位均可使用激光进行表面强化处理;(2)可以处理形状复杂的工件表面,并能准确地表1 各种激光表面强化技术的工艺特性控制处理区域的深度和形状;功率密度冷却速度作用区深度工艺-2-1/mm(3)输入热量少,处理后工件变形小;/W·cm/℃·s相变硬化103—104104—106012—3(4)能量密度高,加工时间短;合金化104—1
7、06104—106012—2(5)激光处理后,只需少量的表面加工;涂敷103546012—10(6)可以局部加热,只加工必要部分;—1010—10熔凝104—106104—106012—2(7)工艺过程无需真空环境,无化学污染.非晶化107—1010106—10100101—011213 激光表面强化设备冲击硬化109126100102—012激光表面强化设备包括激光器、光学系统和机—1010—10械系统三大部分,如图1所示,其中激光器是实现激展到汽车、航空、国防、轻工等部门.例如,美国通用光表面强化处理最关键的设备.在激光技术发展初汽车公司将15台
