激光热处理.doc

复合材料在航空航天中的应用姓名：卢 竞学院：材料学院班级：0919001学号：1091900113 2012年1月1日激光热处理卢竞 1091900113摘要: 从激光热处理机理及特点、激光涂层材料、激光表面处理的困难等三方面阐述了近年来金属材料表面激光热处理的研究与现状，指出其存在的问题与不足，并对其发展前景作了展望。引言随着科学技术的发展,人们对高性能材料的依赖性与日俱增。纳米材料、复合材料等新材料的崛起，对传统的金属材料带来了巨大的挑战。但是，作为结构材料,金属材料仍将在相当长的时期内在各行各业占有相当重要的地位。激光表面热处理是金属材料表面强化的重要方法之一，它始于20世纪60年代,具有加热速度快、热效率高、加热范围及热变形小等特点，受到了材料研究工作者的广泛关注,并进行了许多开发性研究。1 激光热处理机理及特点激光是在外来光子的激发下，诱发电子能态的转变，从而发射出与外来光子的频率、相位、传输方向以及偏振态均相同的相干光波1。激光与普通光源相比，具有定向发光，亮度极高，颜色极纯，能量密度极大等特点。金属材料是通过金属键相结合的，其中存在着大量的自由电子。在入射激光强度不引起金属晶体结构发生重构的情况下，金属对激光的吸收将由光子与自由电子的相互作用来决定。自由电子受到入射激光的光子的作用产生次波，形成强烈的反射波和较弱的透射波；透射波部分在很薄的金属表层被自由电子吸收，因而金属表面有较高的反射比，特别对光子能量较低的红外光而言，光子只能对金属中的自由电子起作用；而对于光子能量较高的可见光或紫外光而言,由于金属中的束缚电子的固有频率常处在可见光或紫外光波段，因而还能对金属中的束缚电子发生作用。而如果光子被电子吸收，使电子由原来的能级状态跃迁到高能级状态,这时激光对金属做正功而将激光能量传递给金属。金属吸收激光能量后,将吸收的能量转化为晶格的振动,使表层金属温度升高,形成一热层。对于波长为0.25m（紫外）10.6m(红外)波段的测量结果表明，光波在各种金属中的穿透深度达到10nm数量级2。由于电子平均自由时间极短（10-13s），这种热转换与热平衡的建立非常迅速。理论上讲，金属表面在激光作用下可在s甚至更短的时间内达到相变温度，甚至熔化温度。激光表面强化是利用激光对材料辐射，使材料的表面部分以很高的速度被加热,随后靠材料自身的快速导热又以很快的速度冷却，这种快速加热和快速冷却的特点使加热区的组织结构发生变化，从而呈现很多特殊的性能4。对于基体组织为珠光体+石墨的铸铁，经激光照射后，组织转变为马氏体+石墨组织，这种组织极大地提高了铸铁表面的耐磨性。进一步的研究结果表明，材料表面强化不仅仅与马氏体的形成有关，而且还依赖于马氏体内部成分及其尺寸大小。马氏体晶粒越细，硬度越高；如果在马氏体内部形成孪晶，对基体的强化作用更明显,但对表面韧性有一定的影响；这可以通过调整和改变激光能量密度、扫描速度等参数来加以改善。激光表面相变硬化提高了铸铁表面硬度，改善了其耐磨性；但研究表明,材料的耐磨性并不受硬度控制，材料的硬度取决于基体中的碳含量。碳含量越高，激光处理后马氏体的过饱和度就越高，硬度就高。同时，硬度的提高会增加基体的脆性，有可能导致耐磨性恶化。因此合适的硬度是保证优良耐磨性的重要因素。一般的钢铁材料对常用的10.6m激光吸收率很低，仅0.0355。因此在实际用CO2激光进行热处理的过程中，一般要在金属表层涂上一层涂层进行黑化处理以增加吸收。对涂层的要求有良好的热稳定性、化学稳定性、热传导性、强附着力、易洗易涂等特点。通常应用的表面涂层有磷酸盐、氧化锆、氧化钛、碳黑和石墨等5。2 光热转换材料（吸收涂层）激光表面处理过程是一个激光与涂层及基体材料相互快速作用的复杂过程,当激光参数与基体的条件一定时，选择适当的涂层材料是非常重要的。激光相变硬化受相变区面积大小、涂层吸收率大小、不同涂层材料与基体材料的相互作用、激光在涂层表面的反射损失及基体材料本身的性质等方面的影响。目前国内外应用较多的是磷酸盐涂层及含碳黑或胶体石墨的涂层，但这种涂层材料存在高温下吸收率明显下降,溶剂刺激性大，不易清除等缺点。我国对激光热处理专用涂层的吸收率与激光相变硬化区面积之间的关系的研究，开发了新型激光热处理吸收涂层，该涂层以金属氧化物为主料,附以无毒性的粘接剂、溶剂、防锈剂、悬浮液、活化剂等复合而成，对CO2激光的吸收率高达93%2，涂覆工艺性能优越。进一步研究表明，对涂层的选择只从“黑化”的角度考虑缺乏严格的科学依据，应该从激光与材料表面的相互作用机理出发，并依据涂层的光谱发射率及辐射区域表面金属实际的硬度区面积的大小、涂层的工艺性能来对激光热处理预涂料进行选择。国内大多采用的光热转换材料是磷化膜和SiO2胶体涂料，两者相比，SiO2胶体涂料的光热转化效率及所得脆硬层质量均优于磷化膜，而且SiO2涂层的工艺过程简单，无环境污染，灵活性强。因此在研究和应用涂层材料时，应以新型氧化物胶体涂料为主，进一步节省能源，提高效率。3 激光表面处理技术存在的问题 经过科学家们长期的努力，金属材料表面激光热处理技术已取得了许多进展，但在基础理论、工艺、设备及工业应用等方面仍存在许多问题。1）激光热处理的基础理论及数学模型。激光处理的快速加热和随后的快速冷却远远偏离了平衡过程，因此，对其加热、凝固过程的相变动力学、热力学和原子扩散过程、界面行为、工艺参数和性能之间的函数关系，粉末粒子的加热、运动规律及相应的性能控制，都需要进一步的丰富与完善。2）能与大功率激光器相匹配的宽带扫描装置。对于大面积扫描,因激光光斑面积小，必须采用多次搭接技术或大面积光斑技术，多次搭接时，因其每个相邻扫描带的接合处存在一个区域,因此其显微硬度是波动的；从金相上看，搭接涂层在整体上呈一种宏观的周期性性能变化。对大面积光斑技术，当输出功率一定时，光斑面积越大，功率密度越低；增大光束直径，可能削弱激光的高能密度和超快速加热优势。因此,能与大功率激光器相匹配的宽带扫描装置的研究开发是急待解决的关键问题。3）理想的涂层材料。激光辐照所形成的熔池区域的温度梯度很大,易导致生成裂纹;金属基体与陶瓷粉末的相容性差，也容易导致裂纹和空洞。因此选配合适的涂层与基材，以增进配合、减少界面应力。4）激光热处理过程控制的智能化。智能化是柔性自动化的新发展和重要组成部分，是将人工智能融入制造过程的各个环节，通过模拟专家的智能活动,系统能监测其运行状态,在受到外界或内部激励时,能自动调节其参数，以达到最佳状态，具备自组织能力，是21世纪的先进制造技术。激光热处理是一个多变量相互作用的过程，过程控制中，多个参量常常是在一定范围内波动而又相互影响，没有绝对分明的定量界限，处于模糊状态3。而智能控制是一种新型控制技术,采用并行处理，它适用于问题中参量排列组合非常复杂的情况，以寻找最佳答案。未来智能控制在激光热处理的光学检测和自动跟踪方面的应用将是发展方向。4 激光热处理的前景激光表面热处理已被广泛地应用于金属材料的表面强化，它可以在廉价基体上涂覆耐磨、耐蚀材料，改善表面性能，加工和修复机械零件局部表面。特别是在制备功能梯度材料和复合生物材料方面更具有广阔的应用前景。近年来,随着纳米材料与计算机技术的迅速发展，激光技术的应用范围及其控制的准确性得到进一步拓展。一方面利用激光热处理的特点，在材料表面形成纳米晶区可以在一定程度上提高材料的整体强度，形成了材料表面纳米化的一种新方法，推动了人们对纳米晶块体材料整体性能的认识的深入；另一方面，传统的表面处理方法中，常常存在接合问题，如果辅以激光热处理，对接合力的提高非常有利；若激光处理的同时辅之相应的模拟技术，则会使激光技术的应用更加成熟。总之,尽管激光热处理已取得很大进步，但仍有许多方面急待开发。相信随着科技的发展，激光技术会更广泛