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激光表面处理技术 激光束表面处理技术概念 激光表面处理技术 是在材料表面形成一定厚度的处理层 可以改善材料表面的力学性能 冶金性能 物理性能 从而提高零件 工件的耐磨 耐蚀 耐疲劳等一系列性能的表面处理技术 激光表面处理技术产生 激光加工技术的研究始于20世纪60年代 但到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后 激光表面处理技术才获得实际的应用 并在近十年内得到迅速的发展 激光表面处理技术原理 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 109W 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 激光表面处理技术原理 它对材料表面可产生加热 熔化和冲击作用 随着大功率激光器出现 以及激光束调制 瞄准等技术的发展 激光技术进入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 由于激光加热速率极快 相变在很大的过热度下进行 形核率很大 因加热时间短 碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制 所以得到的奥氏体晶粒小 冷却速率也比使用任何淬火剂都快 因而易得到隐针或细针马氏体组织 激光表面处理组织 低碳钢可分为两层 外层是完全淬火区 组织是隐针马氏体 内层是不完全淬火区 保留有铁素体 中碳钢可分为四层 外层是白亮的隐针马氏体 硬度HV达800 比一般淬火硬度高出100以上 第二层是隐针马氏体加少量屈氏体 硬度稍低 第三层是隐针马氏体加网状屈氏体 再加少量铁素体 第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网 激光表面处理组织 高碳钢也可分为两层 外层是隐针马氏体 内层是隐针马氏体加未溶碳化物 铸铁大致可分为三层 表层是熔化 凝固所得的树枝状结晶 此区随扫描速度的增大而减小 第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及磷共晶组织 第三层是较低温度下形成的马氏体 激光表面处理组织 激光表面处理技术优点 激光表面处理是采用大功率密度的激光束 以非接触性的方式加热材料表面 借助于材料表面本身传导冷却 来实现其表面改性的工艺方法 它在材料加工中的如下优点 激光表面处理技术优点 1 能量传递方便 可以对被处理工件表面有选择的局部强化 2 能量作用集中 加工时间短 热影响区小 激光处理后 工件变形小 激光表面处理技术优点 3 处理表面形状复杂的工件 而且容易实现自动化生产线 4 改性效果比普通方法更显著 速度快 效率高 成本低 激光表面处理技术优点 5 通常只能处理一些薄板金属 不适宜处理较厚的板材 6 由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全 因此要致力于发展安全设施 美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载齿轮 以取代渗碳淬火的化学热处理工艺 直升飞机辅助动力装置的行星齿轮 飞机主传动装置的传动齿轮用激光硬化的飞机重载齿轮 不需要最后研磨 大大降低了生产成本 提高生产率 采用激光硬化飞机发动机气缸内壁 比氮化处理快14倍 且所得到的硬化层比经过10 20h氮化处理的硬化层还厚 质量优良 几乎无变形 激光表面处理技术 6 1激光束表面处理技术能量转化 激光照射到材料表面 表层材料受热升温 激光作用后冷却 激光被吸收变为热能 固态相变 熔化 蒸发 激光束表面处理技术分类 围绕激光加工的特点 人们相继研究并开发出一些具有工业应用前景的激光表面处理技术 大体分为 激光表面硬化 激光表面熔敷 激光表面合金化 激光冲击硬化和激光非晶化 激光表面淬火 激光淬火又称为激光相变硬化 是指以高能密度的激光束照射工件表面 使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能 从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体 经随后的快速冷却 获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术 激光表面淬火特点 1 材料表面的高速加热和高速自冷 加热速度可达10 109 s 冷却速度可10 s 这就有利于提高扫描速度及相应的生产率 2 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 3 由于激光加热速度快 因而热影响区小 淬火应力及变形小 一股认为激光淬火处理几乎不产生变形 而且相变硬化可以使表面产生大于4000MPa的压应力 有助于提高零件的疲劳强度 但厚度小于5mm的零件其变形仍不可忽视 4 可以对形状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 5 激光淬火工艺周期短 生产效率高 工艺过程易实现计算机控制 自功化程度高 可纳入生产流水线 6 激光淬火靠热量由表及里的传导自冷 无需冷却介质 对环境无污染 激光表面淬火应用 激光淬火由于以上优点而得到较为广泛的应用 发动机缸体表面淬火 可使缸体耐磨性提高3倍以上 热轧钢板剪切机刃口淬火与同等未处理的刃口相比寿命提高了一倍左右 而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火 齿轮齿面淬火 发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火 美国通用汽车公司自1974年首次将CO2激光器用于激光淬火以来 先后建立了17条激光热处理生产线 每日可处理零件3万件 该公司对易磨损的汽车转向器齿轮内表面用激光处理出五条耐磨带 克服了磨损问题 且基本无变形 我国也在积极进行激光淬火的研究和应用实践 天津渤海无线电厂采用美国820型1 5kW横流CO2激光器对硅钢片模具进行表面淬火 大大提高了耐磨性 使用寿命提高了10倍 激光表面熔敷 激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化 光束移开后自激冷却的一种表面强化方法 激光表面熔敷特点 1 冷却速度快 高达106K s 组织具有快速凝固的典型特征 2 热输入和畸变较小 涂层稀释率低 一般小于5 与基体呈冶金结合 3 粉末选择几乎没有任何限制 特别是低熔点金属表面熔敷高熔点合金 4 能进行选区熔敷 材料消耗少 具有卓越的性能价格比 5 光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷 6 工艺过程易于实现自动化 激光表面熔敷应用 进入20世纪80年代以来 激光熔敷技术得到了迅速的发展 目前已成为国内外激光表面改性研究的热点 正是由于理论上的支持和实践的需要 激光熔敷技术在工业化上迈出了巨大的一步 其应用领域非常宽 它可以用于机械制造与维修 汽车制造 纺织机械 航海与航天和石油化工等领域 在刀具 模具 阀体上熔敷陶瓷层已获得广泛的应用 激光表面合金化 激光表面合金化是在高能量激光束的照射下 使基体材料表面一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化 混合 形成10 1000 m厚的表面熔化层 熔化层在凝固时获得的冷却速度可达10 10 s 相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度 又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象 使材料表面仅在很短时间 50 s 2ms 内就形成了具有要求深度和化学成分的表面合金层 区域合金化 有效利用能量 精确控制密度和深度 不规则零件合金 激光表面处理技术 激光表面合金化 利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化 在很短的时间内 形成不同化学成分和结构的表面合金 可获得理想合金或亚稳态合金 处理的新方法 特别适用于工件的重要部位的处理 这样既改善了工件的使用寿命 又可简化工艺和节约昂贵的整体合金 激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨 耐蚀性等性能 1 铁基系在某些情况下 钢中加入Cr Ni Mo等贵重元素不是为了提高整体强度 而是为了防止环境对表面的损伤 此时采用表面合金化可使成本大大降低 例如 用70 Cr 30 Ni的金属粉末对一般碳钢进行激光表面合金化 表面可获得29 Cr 13 Ni的合金 该合金在1mol LH2SO4中的极化曲线与18 8不锈钢的极化曲线相似 有几乎一样的钝化能力 即具有相同的耐蚀性 激光表面处理技术 2 有色金属系在铝合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究 例如以Si合金化可达到的硬度是200HV 以Cu合金化可达300HV 以Fe合金化可达300 500HV 激光表面处理工艺 3 金属硅化物激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属触点 1978年Poate等人用双频激光辐照 把Pt Pd和Ni膜合金化到Si中 试样表面被熔化并在横向产生非常均匀的合金层 其平均成分可通过改变膜厚和激光功率在一定的范围内变化 用连续波激光加热固体有可能形成单相硅化物 激光表面处理技术 合金化层与及基体间冶金结合 激光表面合金化工艺的最大特点是仅在熔化区和很小的影响区内发生成分 组织和性能的变化 对基体的热效应可减少到最低限度 引起的变形也极小 它既可满足表面的使用需要 同时又不牺牲结构的整体特性 它的另一显著特点是所用的激光功率密度很 105W cm2 熔化深度由激光功率和照射时间来控制 在基体金属表面可形成0 01 2mm厚的合金层 由于冷却速度高 使偏析最小 并显著细化晶粒 激光表面合金化应用 我国的激光合金化工作 有两项值得注意的进展 一项是清华大学把激光合金化技术应用到实际产品上 另一项是北京航空航天大学采用激光合金化工艺来强化新型高温结构材料 TiAl金属间化合物 提高其耐磨性 清华大学结合沙漠车用F8L413F八缸风冷柴油机研制陶瓷挺柱的科技攻关 在45钢凸轮轴上成功地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化新工艺 采用自行研制的TH22型共晶合金化涂料 在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理 使其硬度达到60 67HRC 合金化层1 3 1 5mm 凸轮的其它部分进行激光快速熔凝处理 获得的硬度55HRC 硬化层深0 1 1 0mm 凸轮强化表面平整均匀 无气孔和裂纹 实现了合理连续的组织与硬度搭配 凸轮轴处理后无需校直 发动机经500h台阶试验和沙漠车上5个月使用考核 表明激光强化的凸轮具有优异的耐磨性和抗疲劳性能 激光冲击硬化 当短脉冲 几十纳秒 高峰值功率密度 10W cm2 的激光辐射金属靶材时 金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发 产生高温 10000K 高压 1GPa 的等离子体 该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波 作用于金属表面并向内部传播 当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服强度时 材料表层就产生应变硬化 残留很大的压应力 这种新型的表面强化技术就是激光冲击处理 由于其强化原理类似喷丸 因此也称作激光喷丸 激光冲击处理特点 激光冲击处理具有应变影响层深 冲击区域和压力可控 对表面粗糙度影响小 易于自动化等特点 与喷丸相比 激光冲击处理获得的残余压应力层可达1mm 是喷丸的2 5倍 而挤压 撞击强化等强化技术只能对平面或规则回转面进行 另外 激光冲击处理能很好地保持强化位置的表面粗糙度和尺寸精度 激光冲击硬化应用 激光冲击处理 LSP 能有效地强化钢 铝 钛 镍等金属材料 特别是2024T3铝合金经激光冲击强化后 疲劳寿命提高4倍 近年来 我国对激光冲击强化的微观机理 强化效果的无损检测及激光冲击处理对金属性能的影响及工程应用等方面进行了研究 江苏理工大学及南京大学对2024T62铝合金进行激光冲击处理 激光冲击区的硬度提高42 在95 置信度下 LSP试件的中值疲劳寿命是未激光冲击试样的5 4 14 5倍 江苏理工大学也对常用的45钢进行激光冲击处理 LSP区硬度提高32 LSP试件的中值疲劳寿命是未冲击试件的1 11 2 133倍 置信度95 由于激光冲击的应力波持续时间极短 微秒 特别是有效处理成品零件上具有应力集中的局部区域 例如提高成品零件上拐角 孔 槽等局部区域的疲劳寿命 所以LSP技术的工程应用前景较好 激光非晶化 激光非晶化是利用激光熔池所具有的超高速冷却条件使某些成分的合金表面形成具有特殊性能的非晶层 与其它非晶化方法比较 激光非晶化可望在工件表面大面积地形成非晶层 而且形成非晶的成分也可扩大 激光非晶化应用 20世纪70年代末随高功率连续CO2激光器的商品化 人们开发了连续激光非晶化的研究 以实现高覆盖率和较大面积的非晶层 该项技术通常用高功率CO2激光器 1 20kW 由于要求聚光斑功率密度高106W cm2 激光束的质量要求相应提高 如陈兰英等 18 对棉纺机零件 45钢碳 氮共渗后回火处理 进行了非晶化处理 钟敏霖等对FeCSiB共晶合金层用连续CO2激光器处理 采用 激光合金化 激光预处理 激光快速熔凝 的方法 获得了大块的非晶 激光表面改性的研究方向 激光表面淬火激光表面熔敷激光表面合金化激光冲击硬化激光非晶化 激光表面淬火 激光表面淬火的工艺参数还不完善 不同材料的淬火参数不同 还需要大量试验来总结 分析 制定合理的工艺参数 激光表面淬火的数值模拟还处在探索阶段 对相变后的组织分布 材料性能对温度场的相互影响却很少考虑 随着计算机的发展及计算方法的不断完善 激光热处理理论正向预测淬火材料性能 硬化层深度的方向发展 对于激光淬火扫描路径对淬火后材料的性能研究还没有考虑进来 激光表面熔敷 从热力学和外延生长的角度出发 系统研究激光熔敷快速凝固行为 包括各种亚稳相的形成规律 组织特征及溶质在凝固过程中的分配规律 借以进一步完善快速凝固理论 建立更接近实际的熔池中的能量 动量和质量传输模型 通过数值分析来得到熔池中的定量信息 以期进一步理解该技术的相变规律 研究激光熔敷对材料力学 耐蚀 高温蠕变及摩擦磨损性能的影响 结合大功率激光器的开发和激光光学系统的设计 解决大面积熔敷的工艺问题 并进一步提高熔敷层的表面质量 激光表面合金化 激光表面合金化造成表面不平整 虽然已经清楚地认识到是由基体材料造成 但在预防方面还有待进