激光发展与现状

1、2018届机械工程及自动化专业毕业生论文(设计) 课题名称：激光表面处理技术现状及发展 学生姓名：张成名 指导教师：孙明 江南大学网络教育学院 2018年 1 月摘要：激光具有巨大的技术潜力，在冶金和材料加工中发展迅速，应用广泛。激光表面处理由于其对工业和生产作出了巨大贡献，已成为飞速成长的重要加工技术领域。另外，应用激光对材料表面实施处理也是一门新技术。论文简述了激光表面改性的研究和发展现状,特别是激光表面淬火、激光熔凝、激光表面合金化合、激光熔覆等四种技术,以及对各项技术的原理、特点和国内外研究现状分别加以描述。最后，还简述了激光表面改性技术存在问题和发展前景。关键字：激光；表面处理；应用

2、 ；Abstract: laser has great technological potential and has been developing rapidly in metallurgy and material processing.Laser surface treatment has become an important area of rapidly growing processing technology due to its great contribution to industry and production.In addition, the applicatio

3、n of laser to material surface is also a new technology.Paper briefly describes the present situation of research and development of laser surface modification, especially the laser surface hardening, laser fused, laser surface alloying combined, four kinds of technologies such as laser cladding, an

4、d the principle of the technology, characteristics and research status at home and abroad are described respectively.Finally, the problems and prospect of laser surface modification are also introduced.Key words: laser;Surface treatment;Application;目录摘要第一章：绪论一、选题目的及意义.二、拟解决的主要问题或创新之处第二章：激光表面处理技术的原理及

5、特点一、激光表面处理技术的特点二、激光表面相变应化(LTH)三、激光表面熔化(LSM)四、激光表面合金化(LSA)五、激光表面冲击硬化(LSH)六、激光表面熔覆七、激光施袖八、激光退火九、激光气相沉积十、激光表面处理过程中的残余应力第三章：激光表面处理技术、应用及其国内外发展现状一、激光淬火二、激光表面熔凝三、激光表面合金化四、激光表面熔敷五、激光冲击硬化六、气相沉淀第四章：激光表面改进技术术存在问题和前景展望一、存在问题二、前景展望参考文献第一章绪论一、选题目的及意义.激光的出现时近代物理学的一个重大进展。第一台激光器于60年代初问世，对激光表面热处理工艺的研究早在激光器诞生后不久就已经开始

6、，但直到60年代末、70年代初才在热处理生产中获得应用。激光在金属热处理方面取得成功，标志此技术的应用进人了新灼阶段。随着大功率激光器的研制成功与不断完善，这一新工艺用于汽车转向器表面处理的生产线1。国内经过“六五”计划的联合攻关，已在汽缸套等零部件的表面热处理上获得成功，取得了一批科研成果。随之而发展的表面涂覆(cladding)，表面上釉(Glazing)及表面合金化(SurfaeeAlloing)等工艺也取得了相当大的进展。与上述工艺相比较，激光表面热处理是当前比较成熟、应用比较广泛的工艺2。材料表面处理有许多种方法,应用激光对材料表面实施处理则是一门新技术。激光表面处理技术的研究始于2

7、0 世纪60 年代,但是直到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,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,以满足各种不同的使用要求。实践证明,激光表面处理已因其本身固有的优点而成为发展迅速、有前途的表面处理方法。二、拟解决的主要问题或创新之处1.研制出性能稳定可靠、成本低的大功率激光设备；提高设备的配套化和自动化程度，以更好地实现精确的温度控制；扩大激光表面处理技术的应用范围；推动宽带扫描技术的发展，以解决窄带扫描

8、搭接带软化问题；进一步提高生产率，促进激光表面处理技术的普遍应用。2.加强对激光表面处理技术改性机理的研究，解决好温度场测定不够精确的间题，加强相关测试技术的研究，并从理论上加强对某些激光表面处理技术产生表面残余拉应力和裂纹的机理研究，提出具体解决措施。3.系统地研究激光表面处理工艺参数、材料性能、表面状况(吸光率)等对处理后表面层性能的影响，掌握最佳工艺参数组合，发展成形工艺。第二章激光表面处理技术的原理及特点一、激光表面处理技术的特点3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. 1 mm) , 从而可以获得极高的

9、功率密度(104109 W/ 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、激光作用的冷却等。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,并在近年得到迅速发展。激光表面处理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。它在材料加工中具有许多优点是其他表面处理技术所难以比拟的：1、通过选择激光波长调节激光功率等手段，能灵活地对复杂形状工件或工件局部部位实施非接触性急热、急

10、冷。该技术易控制处理范围，热影响区小，工件产生的残余应力及变形很小。2、可在大气、真空及各种气氛中处理，制约条件少，且不造成化学污染。3、通常，激光表面处理的改性效果比普通处理方法更显著4、激光束能量集中，密度大，速度快，效率高，成本低。5、可缩短工艺流程，处理过程中工件可以运动，故特别适合组织自动化处理线。6、激光束便于通过导光系统准确地输人与定位，亦能导向多个工作台，可大大提高激光的使用率和处理的效率。7、激光表面处理尤其适用于大批量处理生产线，其成本比传统的表面热处理低。8、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。二、激光表面相变应化(LTH)不论激光束是如户

11、J产生的，激光束仅是一加热金属的热源，金属经激光热处理后，一般不出现异常的治全变化。相变硬化是一种儿乎无尺寸变化而能达到冶金相变的加工技术。利用激光束可以选择小面积加热和对需要部位硬化。实现激光相变硬化有三个基本条件仁:第一，金属硬化区必须达到奥氏体化温度;第二，在加热与冷却周期内硬化区在奥氏体化温度区应保持足够长的时间，以保证碳能充分的扩散;第三，应具有足够大的自身淬火能力，其冷却速度应超过临界冷却速度。金属经激光相变硬化的冶金变化不同于普通淬火之处有以下几点:1、激光相变硬化后的硬度高于普通淬火。其原因一方面由于在很高抑制条件下形成马氏体，另一方面则由于极快的加热和冷却速度使获得变形马氏体

12、4。2、激光相变硬化能力决定于所处理的材料。一般地说，凡适合于普通淬火的材料也适合于激光相变硬化。但对低碳钢当其碳含量在0.2%以下时普通淬火一般难于淬硬5，而激光相变硬化却可以极快冷却速度使其淬硬5。对具有石墨组织的铸铁普通淬火亦不易淬硬，但激光相变硬化也可使其淬硬，尽管在如此短的扩散时间内完成。3、对于含有分散球状碳化物的钢或含大量石墨不含珠光体的铸铁，由于相变时间太短，激光相变硬化难以使其淬硬。工具钢和高速钢的激光表面硬化引起许多研究者的兴趣6。Brover13用脉冲激光器研究了不同组织的R6MS激光高温快速硬化的可能性.实验证明，不同激光能量水平和加热速度与不同原始组织配合，可以得到不

13、同程度和均匀性的固溶体，从而得到在服役条件下所需要的优化的数值。Mulin等14用l000J的激光器硬化12X18N9T，13N5A砧A和1201工具钢。激光硬化的工具钢的耐磨性是非硬化工具的20一25倍，是带有氮化钦表面涂层的2一4倍。三、激光表面熔化(LSM)（一）激光表面熔化在满足表面某些需要，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显出独特优点。可用激光表面熔化得到细晶组织、非晶态和亚稳相，低的气孔率和光滑的表面，基体中较小的热影响区以及良好的基体与表面的结合。（二）光表面熔化施于钢铁常产生硬度很高的表面，可有效提高耐磨性;施于有色金属常可获得十分细而均匀的组织广。激光熔化高速钢时，先使原始组

14、织迅速熔解，以后冷却时可保留大量己铁素体和奥氏体，可明显地提高硬度.激光熔化铸铁时可在莱氏体区形成细组织涂层激光熔化镍基合金时，则可得到过饱和基体相的细枝晶结构，同时枝晶区域内细MC碳化物质点和共晶组成。（三）美国NASAMarshen航天中心正致力于提高航天飞机(SSME)许多零件的寿命或修复完成每一次飞行任务之后的零件。主燃烧室中最关键的部件是其内衬(热壁)，它由锻造的NARloyz制成.该合金在580一760的温度范围暴露96h后，可观察到晶界析出物及无析出区，这些都会降低主燃烧室内衬的寿命.一旦析出物形成，除了用熔化方法以外，很难用热处理的方法使其回到固溶体中去.激光上釉是细化锻造NA

15、Rloyz的显微组织的一种很有效的方法.用这种方法得到了很细的激光上釉显微组织，第二相均匀分布和错在铜基体中的扩展固溶体，使合金热稳定性和时效硬化得到很大改善。四、激光表面合金化(LSA)许多铁合金等较难熔材料在接触激光功率密度达106W/mm2的受热表面时，足以达到107109K/s的加热速度会发生熔化，其中的各种元素扩散进入零件液态金属的薄层内7。当冷却凝固时将形成固溶体和化合物夕表面发生合金化.最近有些国家对利用含Cr，Ni和Mo的铁基合金进行激光表面合金化的工艺产生极大兴趣，这种方法既可改变金属性能，又可节约材料、降低成本，可用普通碳钢等廉价材料获得表面耐磨、防蚀和抗高温氧化性很高的零

16、件。用预置石墨粉习通过熔化或熔化后再进行渗碳形成碳化物的表面合金化可明显地提高表面硬度。阻碍激光表面合金化广泛应用的障碍，除设备投资大、成本高外，就是在材料处理过程中表面易产生气孔、裂纹以及表面平整度的下降.针对后者，研究者根据具体情况加强研究，已经摸索出一些可行的办法8。Ion用实验证明，激光表面合金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的办法。他使用的激光器功率为6kw，合金元素为铬，激光合金化层的厚度为0.5mm9，使耐腐蚀性大大提高。Mazulnde等用激光使1016低碳钢表面以铬、锰、碳合金化。结果证实，用激光加工过的材料在销一柱磨损试验中表现出比Stelhte 6合金10还要好的耐磨性

17、。作者认为，耐磨性的提高归因于树枝状组织和铬的碳化物，且枝晶越细，耐磨性越好.较低的激光功率和较高的激光一工件相对移动速率可以得到较高耐磨性的合金层。五、激光表面冲击硬化(LSH)激光冲击硬化是前苏联学者在70年代初提出的。利用极高功率密度(大于10sw/cm，)激光束冲击(作用时间为1085数量级甚至更短)工件表面11，使表层几微米的薄层迅速被加热汽化。在极短的时间内，金属蒸气由于受到外部介质的限制而在冲击区形成超高压冲击波(最大10GPa左右)。随着冲击波向基体内的传递，会在表层产生压应力区，并出现某些微观特性的改变，从而改善了金属的机械性能。Chan使用名义功率为10GW/cm2，脉冲时

18、间为2040ns的脉冲Q开关的YAG激光器使铸铁、7075和7475铝合金冲击硬化，冲击振幅为5.6GPa.两种铝合金的疲劳寿命均得到提高.其原因是表面存在残余压应力。文献12作者认为，为了得到表面残余压应力，应对热应力的作用和冲击波的作用加以区分。试验说明，使用吸收涂层后可以得到表面残余压应力.由于只有冲击波透人材料，该区域受张力变形，但受周围材料的约束，被约束的区域就是一个压应力区。如果热量进人该区域，膨胀将会导致变形，在冷却时将会产生张应力。激光冲击硬化可以得到与喷丸相近的残余应力水平，但表面损伤更小，且能得到更大的透入深度。六、激光表面熔覆激光熔覆也称激光包覆（见下图所示），是利用一定

19、功率密度的激光束照射(扫描)被覆金属表层上的外加纯金属或合金13，使之完全熔化，而基材金属表层微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层，从而使基材强化的工艺.激光熔覆的熔化主要发生在外加的纯金属或合金中，基材表层微熔的目的是使之与外加金属达封冶金结合，以增强包覆层与基材的结合力，并防止基材元素与包覆元素相互扩散而改变包覆层的成分和性能13。激光熔覆工艺主要有两种:一种是预置涂层法，是用电镀、真空蒸镀、等离子喷涂、火焰喷涂、粘结等方法将要熔覆的金属粉末事先涂覆在基材表面，然后用激光重熔，这种方法可称为激光涂覆;另一种是同步送料法，即在激光照射过程中，将粉末或条、丝状纯金属或合金连续送入熔池

20、内，其中用气体将粉末以一定角度吹入熔池的方法称为激光喷涂。激光熔覆与合金化类似。可根据要求在表面性能差的低成本钢上制成耐磨、耐蚀、耐热、耐冲击等各种高性能表面，来代替昂贵的整体高级合金，以节约贵重金属材料。包覆层组织细小，一般无气孔和空穴。将硬质TIC颗粒覆于高速钢表面，通过激光包覆处理得到TIC熔化层，然后进行快速淬火。这样获得的表面包覆有极高硬度HV2100一2700，最高可达HV310014。高速钢激光包覆的寿命为普通热处理钢的8.4倍15，最高达11.2倍。可以预料，这种处理方法将广泛用于加工难切削材料的刀具。较常采用的激光包覆与基体的组合形式有如下儿种上:不锈钢一软钢;不锈钢-铝;软

21、钢一不锈钢，硬质合金一软钢;硬质合金一黄铜;铁硼一软钢;镍一软钢;铬一钦。除以上所述外，激光包覆工艺还具有以下独到的优点:可控制稀释度，减少局部加热时的热变形，精确控制零件外形尺寸，可获得良好热结合性和精细淬火组织。    另外，采用同步送粉法将合金粉末添加进激光熔池，熔覆层稀释率小，界面呈冶金结合状态，工件变形小、加工余量小、熔覆层无气孔和裂纹缺陷，硬度在HRC2060可选，熔覆层耐磨抗蚀性能优异，适合各类复杂形状零件的熔覆或再制。不同模式激光光斑熔覆工艺对照图目前应用领域：  目前应用于电力、石油、化工、船舶、舰艇、机车等行业，熔覆或再制造后的产品质

22、量稳定可靠，取得了良好的经济和社会效应。七、激光施袖激光上釉是利用激光束熔化金属表面后再以106/s的冷速进行快速淬火和凝固夕使合金元素和碳的扩散受到抑制.这样一来，高温相随着其溶解度极限被保留到室温，得到过饱和固溶体.然后再重新加热进行弥散硬化处理。此亚稳相的热处理使金属的硬度和强度进一步提高.激光施釉的快速冷却提供了许多有用的冶金结构，如非晶态组织，即金属玻璃。“施釉”一词即由此而来.激光施釉层常包括非晶层与结晶层，结晶层内主要为枝晶区，内与基体相连，非晶层为表面层。激光施釉结合火焰喷涂、离子喷涂、离子沉积等沉积技术在控制组织、提高表面抗蚀、耐磨和性能方面日益显示出广阔的应用前景。冷态工具

23、钢(50CrNi3，X1CrMOV12)、热态工具钢(NICrMoV，X32CrMoV33)和高速钢先进行离子涂WC一Co，然后激光施釉可显著提高硬度。电子材料、磁性材料和其它一些电气材料用激光施釉后用于检验仪表上极为理想15。八、激光退火激光退火有两类:一类是激光诱导表面熔化，通常称“激光退火”;另一类是用激光束进行局部软化退火。激光退火常应用于半导体，可消除硅中离子注入所产生的严重膨胀损伤，如对石墨带加热器已应用激光退火，可在Si层上形成SiO2层。氧化物层通过别中氧离子注入形成。离子注入后表面Si层是高无序的，但尚不是非晶态，高温(1200)退火将保持此Si层的晶性16。曾对冷加工金属(

24、CuNi4，SMnZ，SA14，CuNi78Z:，卫。，X12CrNi3和低碳钢)和时效硬化材料(AIMgsiZ)的局部软化进行了研究。变形冷加工金属被加热至某一不熔化或熔化温度时，会发生局部再结晶而降低硬度.可以预料，对整体材料的激光退火将会逐渐被应用到材料加工制造工业上。九、激光气相沉积激光气相沉积可分为激光物理气相沉积和激光化学气相沉积，可以在基板上形成各种性能的薄膜，成膜速度快，质量好。如用激光物理气相沉积可以形成各种氧化物、氮化物的陶瓷镀膜和氧化物高温超导膜;用激光化学气相沉积可合成金刚石薄膜和非晶态硅。日·本已用激光化学气相沉积法生长出五氧化担薄膜，该薄膜具有极高的耐蚀性

25、17。将分子束外延法和准分子激光技术结合起来，可以一层层地控制氧化物薄膜的形成过程。日本利用该技术已在Si上形成30层共90×1010m厚的极薄氧化柿膜，一层厚约3×1010m。目前，激光气相沉积技术的研究和应用正在蓬勃兴起。十、激光表面处理过程中的残余应力激光表面处理可引起残余应力，但也可以降低或消除已产生的残余应力。残余应力常是由未发生熔化的激光相变硬化诱导出来的，其特征为表面处理层上出现压应力，下方的加热层出现拉应力.通常后者较强而且十分危险，它可导致裂纹.以45钢为例18，由激相变诱出的残余应力通常从压应力200MPa变化至260MPa，拉应力从300MPa变化至8

26、50MPa19在中碳钢中激光相变硬化产生的残余应力比在合金钢中的效果好.经多次激光处理反复出现软化和表面拉应力的情况，是不理想的。对马氏体钢用Co基或Ni基粉末进行包层时所诱出的残余应力在包层中为拉应力，基体中为压应力.在包层表面可出观285MPa的高表面残余拉应力20。通常皆采用高频加热、电阻加热、放热式混合加热等方法来降低残余应力。但是这些方法的作用过程都比较慢，所以现已采用高强烈度的激光加热来降低残余应力。显然，通过快速供热和结构转变可产生热静力学波，当入射能量强度是足够高能熔化金属时，可有效消除表面应力.热弹性波可使动应力松驰，当在表面层出现时，也能导致应力消除。第三章激光表面处理技术

27、、应用及其国内外发展现状一、激光淬火应用激光将金属材料表面加热到相变点以上,随着材料自身冷却,奥氏体转变成马氏体,使材料表面硬化,同时硬化层内残留有相当大的压应力,从而增加了表面的疲劳强度。利用这一特点对零件表面实施激光淬火,则可以大大提高材料的耐磨性和抗疲劳性能。最新研究成果表明,如果在工件承受压力的情况下实施激光表面淬火,淬火后撤去外力,则可以进一步增大残留的压应力,并可大幅度提高工件的抗压和抗疲劳强度。由于激光表面淬火速度快,进入工件材料内部的热量少,由此带来热变形少(变形量为高频淬火的1/ 31/ 10) 。因此,可以减少后道工序(矫正或磨制) 的工作量,降低工件的制造成本。此外该工艺

28、为自冷却方式,无需淬火液,是一种清洁卫生的热处理方法;而且便于用同一激光加工系统实现符合加工。因此可直接将激光淬火供需安排在生产线上,以实现自动化生产。又由于该工艺为非接触式,因此可用于窄小的沟槽和底面的表面淬火。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

29、件3 万件。该公司对易磨损的汽车转向器齿轮向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。德国MAN B &W 公司对40/ 54 和L58/64 型船用柴油机气缸套内壁进行激光淬火;日本对45钢、铬钼钢、铸铁等材料的激光淬火;美国Coberent 公司用500 W 激光器对铸铁机床导轨进行淬火取得了较好的效果。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. 5 kW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。青岛激光技工中心采用了HJ - 3 千瓦级横流CO2 激光器,对柴油机气缸孔进行表面淬火

30、后, 而取代了硼缸套, 耐磨效果优良,配副性优良,经济效益显著。目前,在激光热处理方向的研究,大多数进行温度、相变的简单计算,对相变后的相变组织分布、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。实例应用：激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。适用材料为中、高碳钢，铸铁。激光淬火的应用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸移动图册，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿命提高23倍。 齿轮激光淬火技术齿轮是机械制造行业中应用广泛的零件.为了提

31、高齿轮的承载能力，需对齿轮进行表面硬化处理.而传统的齿轮硬化处理工艺，如渗碳、氮化等表面化学处理和感应表面淬火、火焰表面淬火等存在两个主要问题：即热处理后变形较大和不易获得沿齿廓均匀分布的硬化层，从而影响齿轮的使用寿命二、激光表面熔凝激光表面熔凝是采用近于聚焦的激光束照射,是材料表面层熔化,然后依靠自身冷却快速凝固。熔凝层中形成的铸态组织非常细密,能使性能得到改善,可以增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。激光表面熔凝技术基本上不受材料种类的限制,可获得较深(可达23 mm 以上) 的高性能敷层,易实现局部处理,对基体的组织、性能尺寸影响很小,而且工艺操作方便。应用激光表面熔凝技术,在可锻铸铁的摩托车

32、凸轮轴表面获得了熔层厚0. 2 mm ,硬化层厚0. 7 mm ,宽3. 43. 6 mm ,表面硬度为895 HV 的耐磨性很高的熔凝层。对耐磨铸铁活塞环进行处理后,寿命提高一倍,且与气缸的匹配效果良好。对珠光体+ 铁素体基的铸铁梳棉机梳板进行处理后,明显提高了耐磨性和抗崩裂性,且保持了低的表面粗糙度。国外对Al -8Fe (Al 含量为1 %) 合金进行激光熔凝硬化处理后的熔区枝晶进行微观计算机模拟及测量,得出了枝晶细胞头部半与凝固速度的关系式和凝固速度对枝晶分布的影响规律。利用晶体生长的最小过冷度判据,对单晶合金激光重熔区组织的生长速度进行分析,建立了枝晶尖端生长速度与激光束扫描速度和固

33、液面前进速度的关系。根据分析,发现激光熔池中枝晶组织生长方向强烈地受基材晶粒取向和激光束扫描方向的影响。三、激光表面合金化激光表面合金化是一种用激光将合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固,在表面获得合金层的方法。这种方法既改变了材料表面的化学成分,又改变了表面的结构和物理状态。可使廉价基材获得良好的表面性能。激光表面合金化与其他传统表面合金化的方法相比,敷层组织小,结构致密,气孔率低;激光能量密度高,无需工件作为电极传导,粉末材料和基体材料的使用面更广;激光作用时间短,基体熔化量少,合金敷层稀释率低,减少粉末材料的消耗量;热影响区小,对基体组织的性能影响小,工件变形小;不需要特殊的工作条件,无环

34、境污染。该项技术广泛应用于在磨损、腐蚀、高温氧化等工况条件下服役的工件表面强化,以及磨损件的修复。美国有两家飞机制造企业采用了这种方法,对喷气机涡轮叶片外缘涂覆了钴基合金涂层。近年来日本的汽车制造业亦开始采用这种技术,对汽车排气阀实施激光涂覆钨铬钴合金层。与传统的乙炔涂覆法相比,激光表面合金化处理成本低,涂层寿命高。如果向熔融区提供活性气体,还可以在工件表面形成坚硬的陶瓷涂层。例如在N2 中用CO2 激光加热TI - 6Al - 4V ,则可以形成TiN 层,相互作用的时间愈长,TiN 密度愈高,深度愈深。形成了大量的硬质耐磨相TiN ,大大提高了表面硬度,TiN 相呈胞状及发达树枝状的特殊生

35、长形态,被基体牢牢地镶嵌住,在摩擦磨损过程中不易脱落,故这种快速凝固”原位”耐磨复合材料具有优异的耐磨性能。利用XEM 和TEM 对改性层的微观组织转变进行了研究,激光气相氮化改性层内的显微组织由、TiN 和TiAlN 组成,沿层深呈不均匀分布。四、激光表面熔敷采用激光加热将预先涂敷在材料表面的涂层与基体表面一起熔化后迅速凝固,得到成分与涂层基本一致的熔敷层,这种方法称为激光表面熔敷。激光表面熔敷与激光表面合金化的不同在于: 激光表面合金化是使添加的合金元素和基材表面全部混合,而激光表面熔敷是预敷层全部熔化而基层表面微熔,预敷层的成分基本不变,只是使基材结合处变得稀释。激光表面熔敷输入热量少,

36、工件变形小,而且整体铸造粗糙度有很大的改善,减少二次磨削工作量, 纤维组织更致密和极少偏析,表面平整光滑。激光熔敷从20 世纪70 年代提出到20 世纪80 年代获得广泛应用,期间展开了在低碳钢、不锈钢、铸铁、铝合金以及特殊合金上激光熔敷钴基、镍基、铁基、钛、碳化物、氧化物等的研究工作。迄今为止,研究工作主要集中在激光熔敷工艺参数,激光熔敷层的微观组织结构和相分析以及激光熔敷层的性能等等。目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是: 对激光熔敷过程裂纹的形成和行为缺乏深入的研究; 尚缺乏特别针对激光熔敷过程特性的熔敷材料; 激光熔敷过程的检测和实施自动化控制。其中,裂纹问题尤为严重。对于碳化钨

37、金属陶瓷激光熔敷涂层的抗开裂性能而言,碳化钨颗粒本身是一个薄弱环节;不同碳化钨含量下,熔敷层的宏观裂纹数目随着激光扫描速度的变化规律而不同 。NiCrSiB 合金对裂纹非常敏感,裂纹的形成是由于熔敷层中存在大量的多硬质相以及硬质相的不良分布,其高脆性难以承受熔敷过程产生的较大拉应力所致。要解决激光熔敷层出现的裂纹问题,一方面要优化粉末成分,提高粉末的强韧性;另一方面就是要设法降低热应力应用,从工艺上降低熔敷过程的残余拉应力。在国外, 激光熔敷MoSi2 粉末,其硬度值达1 200 HV ,但是易于产生裂纹,可加适量ZrSi2 ,该物质能与MoSi2 很好的相容,同时又不改变MoSi2 的特性

38、。五、激光冲击硬化利用高能密度的激光脉冲照射金属工件,因被照射金属升华汽化而急速膨胀,产生冲击波。在材料中,因应力波的传播而产生加工硬化作用。激光冲击硬化技术能提高大部分金属材料(尤其是铝合金) 的强度、硬度和疲劳寿命。国外正在进行用激光冲击波来改善飞机结构中紧固件周围疲劳性能的应用研究。发现6. 5 mm 板厚的裂纹扩展试件和紧固试件的高频疲劳寿命,在激光处理后比处理前延长100 倍。研究表明,激光表面质量可用表面粗糙度与微凹沟这两个指标来表示,通过对表面粗糙度与凹沟进行直观的观察与分析,就可以判别激光冲击硬化效果的好坏;同时可以通过优化激光参数、优化涂层与约束层、增加保护层及强化层来有效地

39、控制激光冲击的强化效果。目前激光冲击技术已经广泛应用于航空航天、医疗器械、军工装备等多方面领域，并起着举足轻重的作用。当前国内外学者和科研机构就激光冲击强化而言，主要就以下几个方面进行研究：（一）激光冲击强化的物理性研究：研究重点在于解析强化过程中的物理效应、冲击波与靶材内部结构相互作用的机理和类型1，建立激光诱导爆轰波的理论模型并对其进行分析2。（二） 激光冲击强化作用机理的研究：研究内容主要是从表面粗糙度、硬度、残余应力和微观组织等角度对激光冲击处理之所以能够有效提升靶材的抗疲劳、耐腐蚀、抗摩擦磨损等性能进行规律分析、机制分析等相关研究1。（三）工程技术领用的应用性研究：对激光加工系统进行

40、改进，工艺参数进行优化，对冲击区域性能的评测以及强化过程的在线研究进行合理的设置等等。中国激光冲击强化研究虽然起步较晚，但近些年来发展迅速，并且已经成功将该项技术应用于军事航空领域，拥有了多项自主知识产权，取得了大量的研究成果，为实现激光强化工业化的具体实施奠定了扎实的基础。清华大学提出了利用激光冲击处理来制备表面高性能纳米涂层，并设计出了完备的加工工艺，此项技术的提出将激光冲击和纳米复合材料制备技术结合，为制备纳米复合涂层打开了新的思路。1、 激光冲击强化原理激光冲击处理是使用GW/cm2级的高功率密度和ns级的短脉冲宽度的强激光辐照材料表面，利用激光与辐照金属表面材料相互作用的响应过程，进

41、而对材料表层进行性能优化处理的一种表面处理处理技术。激光冲击强化原理图在激光处理过程中，由于激光辐照作用的影响，激光会透过约束层被金属材料表面附着的能量吸收涂层吸收，因照射部位温度在极短时间内可以达到一个极高的值而气化，气化后形成蒸汽电离，若继续吸收激光辐照的能量则形成了等离子体。当能量迅速积累达到临界值时，将会引起膨胀爆炸，激光持续作用形成的等离子体引起的爆轰波作用于金属靶材表面，形成方向指向金属的冲击波。当冲击波作用所引起的压力远大于靶材本身所能承受的动态屈服强度时，冲击波影响的区域就会发生超高应变率作用下的塑性变形，伴随着位错密度的迅速增加，表层材料晶粒得到细化，并在金属表层形成一定深度

42、的高幅值残余压应力区域，同时还会出现相变、孪晶等结构变化，从而使材料的抗疲劳性、耐磨性、抗断裂性等机械性能得到改善。其基本原理如图上图所示。2、激光诱导的冲击波当激光辐照于金属表面时，能量大于一定的临界值后，靶材的表面层会在短时间内快速吸收激光能量，高幅值的激光能量会造成表层产生熔融与气化。在此过程中，因气化作用生成的蒸汽粒子会对激光能量进一步吸收而造成自身能量的进一步累积，巨大的能量将使得蒸汽粒子发生电离现象，形成具有高温高密度值的等离子体。等离子体在向四周扩散和膨胀过程中会形成具有极高压力的冲击波，这种冲击波的压力值大小会随着激光能量强化的变化而产生相应的改变。根据激光能量的高低不同，冲击

43、波类型可以分为燃烧波及爆轰波两类。在整个激光冲击处理过程中，激光功率密度可以达到GW/cm2时等离子体诱导形成冲击波被定义为爆轰波型，爆轰波会以104m/s的速度向各方向传播。爆轰波压力随着激光功率密度的增大而升高，同时与脉冲能量之间也呈正相关。一般由激光冲击作用所生成的冲击波类型有以下两种方式，非约束型以及约束型。非约束模型中不包含约束层和吸收层，在冲击过程中激光束会将直接接触到靶材表面。这种类型的冲击波形式中，约束层不会对等离子体产生约束作用，而会以一种开放式的形态向各个方向自由膨胀，能量分散且分布不均，造成的后果是诱导的冲击波压力值不高，且能量不集中，无法起到冲击强化的作用。另一种约束型

44、是在靶材表面涂覆黑色涂层和透明的约束层，透明的约束层可以有效阻止等离子体的膨胀，使冲击波可以完全作用于靶材表面，极大增强了冲击波的冲击效应。激光冲击作用于金属靶材的表层时，会存在冲击波与靶材之间的力作用，诱导形成残余应力场，这也即是说冲击波是靶材表面冲击作用区发生塑性变形的根本原因，激光冲击的强化作用来源于力效应，而不是激光能量本身的热效应。冲击波在靶材内传播时，方向会沿着其冲击方向产生单向的轴向压应力，位于冲击波方向区域的靶材将会被压缩，而与材料表面平行的面上的区域则会延长。激光冲击强化技术是利用高应变速率下产生的剧烈塑性变形对材料进行强化，而实际上是利用了冲击波与靶材金属之间的相互作用。激

45、光照射靶材金属后会发生材料的升温、熔融、层裂等现象，这是由于激光冲击的热效应与力学效应。而随着激光参数的不同，激光作用于靶材，所产生的影响和作用机理也不完全相同。一般而言在激光功率密度达到103104W/cm2时，靶材表层出现缓慢加热，在104106W/cm2时开始熔化，在106108W/cm2时出现部分气化现象，在1091010W/cm2时出现激光等离子现象，形成等离子体。当激光辐照到靶材表面时，除了一部分能量会被靶材吸收外，其余能量将会被材料反射或者直接逸散出去。激光与靶材之间的能量传递遵循能量守恒定律，也就是说激光入射的能量等于材料表面对激光的靶材吸收能量、靶材反射能量和逸散能量之和：E

46、0=E反射+E吸收+E透射 靶材对激光的吸收除了与材料的种类和特性有关外，还与靶材针对激光波长的选择性吸收率有关，此外材料对激光的吸收还受到外部环境，包括温度、湿度、表面涂层和表面粗糙度等多种因素作用的影响。3、剧烈的塑性变形与晶粒细化机理金属可以认为是由大量的晶粒堆积而成，同时每个晶粒也都有着各自不同的取向性。相邻晶粒间通过面面接触连接在一起，这种接触面称之为晶界。晶界一般有着不同的取向，厚度在2个原子间距左右。通过相邻晶粒的取向差和晶界面的方位可以定义晶界，当15°时称之为小角度晶界；当15°时则称之为大角度晶界。伴随着激光冲击过程，金属会发生明显的塑性变形，晶粒大小的

47、变化与金属的组织结构相关。晶粒细化的过程中，由于塑性变形会引起高密度位错、孪晶等微观形貌的变化，在晶粒内部逐渐形成小角度的亚晶界，进一步演化后会发展成大角度晶界，大角度晶界会产生切割效应，将整个晶粒形成具有取向性的细小晶粒，实现晶粒细化。大尺寸晶粒不断地被转变成数量众多但更为细小的晶粒，晶粒的大小甚至可以达到纳米级，成为纳米晶。金属塑性变形方式的因素包括材料的晶体结构、层错能以及相变化等。体心立方晶格(bcc)和面心立方晶格(fcc)金属具有12个滑移系，而密排六方晶格(hcp)的金属滑移系相对教少，对于高层错能的立方结构的金属而言，塑性变形的机制主要是通过位错变化实现；低层错能和密排六方结构

48、金属，则通过机械孪生实现。下表所示为不同结构金属材料的层错能和变形运动形式。下表是不同金属材料的层错能和变形形式材料FeAlCu316L不锈钢304不锈钢TiCo晶体点阵bccfccfccfccfcchcphcp层错能mJ/m220016678402130027变形运动位错运动位错运动位错运动机械孪生位错运动机械孪生机械孪生位错运动机械孪生位错运动机械孪生对于GH2036高温铁基合金而言，体心立方晶格(bcc)具有较高的层错能。当载荷以高应变率作用于材料表面时，位错开始增殖，同时位错密度提高。位错交割将使粗大的晶粒得到一定的细化，这是塑性变形初期的表现；在变形程度逐渐增加之后，位错会通过湮没、

49、重组等形式转变成小角度亚晶界，从而降低内部畸变能；在塑性变形后期，小角度亚晶界会通过吸收相邻位错导致晶界滑移而成为大角度晶界；最终亚晶粒内部形成的位错胞和位错缠结会分割晶粒完成晶粒细化；当晶粒中的位错增殖速率和湮没速率基本保持一致时，系统内能量趋于稳定，晶粒细化过程结束。当发生塑性变形后，材料的表层影响区会得到一定程度的强化，这种因塑性变形引起的的强化，其强化机制包括：细晶强化、位错强化、晶界强化、孪晶强化，下图所示为金属合金常见强化机制的示意图。(1) 位错强化当材料发生塑性变形时，位错密度增加，位错活性也随之增加。当位错密度达到一定值时，位错间相互作用形成位错缠结等位错结构，这些结构会反过

50、来阻碍位错的运动。若塑性变形持续增大，则会引起载荷的递增，这在宏观上会表现为金属表面强度的提高。变形强化的本质在于位错密度的增加，实验证明，位错密度的增加和材料强度的提高呈正相关。(2) 晶界强化在晶界表面，金属原子的排布并不规律，同时还存在晶格点阵畸变、位错缺陷的衍生和发展。塑性变形时，晶界的存在会阻碍位错运动，形成位错的堆积，且这种阻碍作用会随着晶界数目的增加而愈加明显，因此晶界强化时，材料本身的变形抗力增加，因此强度得到提升；此外由于多晶体的晶粒间存在取向性的差异，当某个晶粒发生滑移时，其他晶粒会阻碍其运动，因此滑移阻力的增加也从另一方面提升了材料的变形抗力；伴随着晶界数目的增多，晶界的

51、排布也越复杂，裂纹在晶界上的传播将会变的更为困难，表现较高的塑性和韧性。(3) 孪晶强化孪晶界由于其结构特征属于能态偏低的共格晶界，所以晶粒内孪晶界的分布可以抑制位错的运动，促使孪晶界上或交割界面处发生位错的堆积和缠结，造成的应力集中现象，提高材料的强度。孪晶片层的尺度越小，强化效果越明显，实验表明纳米尺度时其强化效果远远大于微米尺度或者亚微米尺度的强化效果6。(4) 细晶强化晶粒尺寸越小，也意味着在单位体积内晶界数量越多，而随着晶界数目的增加晶粒内部位错运动将会受到阻碍，滑移带会在晶界处堆积湮没。多晶粒原子间存在不同的位向差，相互晶粒间可以通过滑移来协调变形。在滑移过程中还会伴随着位错切割，

52、提高金属强度。此外，单位体积晶粒数目增多，相同的变形机制将会在更多晶粒中进行，避免了产生较大的应力集中而使塑性变形效果更加均匀。在细晶过程中由于晶粒细化，晶界数目增多，裂纹便不易萌生和发展，在断裂的过程中表现出强韧性。 金属合金常见强化机制(a)固溶强化、第二相弥散强化(b)细晶强化(晶界强化)(c)位错-孪晶强化4、 激光冲击强化的影响因素在激光强化过程中，激光束会通过约束层后辐射在吸收层，在这个过程中伴随着能量形态的转变，从激光束的能量转变成诱导材料发生塑性变形所需要的能量，并以此产生残余压应力。因此，影响因素还包括：(1) 约束层 约束层除了可以阻止等离子体的不定向性膨胀，促使激光能量的

53、集中，还可以强化靶材与冲击波之间的相互作用，也可以说，约束层的存在可以同时增加激光所诱导形成的冲击波和脉宽大小。在选择约束层时，除了要求激光束保持高的透射率和声阻抗等特性外，还要考虑到激光可能会击穿约束层直接作用于靶材表面，因此约束层的厚度也有着明确的适用范围的规定。(2) 吸收层吸收层的作用一方面是提升靶材对激光能量的吸收率，另一方面可以保护靶材避免靶材与激光直接接触造成烧蚀破坏。实验表明，若靶材表层没有附着吸收层，将无法形成靶材对于激光能量的高效吸收，造成等离子体因能量不足产生不定向的膨胀而远离靶材表面，无法形成足够的塑性变形。下表为不同条件下靶材表面残余应力。不同条件下的表面残余应力处理

54、方式无吸收涂层未处理55Cl6mm光斑水层6mm光斑黑漆6mm光斑水层+黑漆残余应力/MPa570MPa-220MPa-380MPa-430MPa-510MPa大量的研究表明，靶材表面附着吸收涂层在激光冲击后可以形成较大的残余应力。但同时其厚度也是影响激光能量作用的关键因素，若吸收层厚度不足时，则会产生靶材表面的烧蚀；若吸收层过厚，则会影响冲击波能量，造成作用于靶材表面的能量值过低，无法对靶材进行有效强化，因此吸收层需要选择一个适当厚度。(3) 激光工艺参数 在激光强化过程中所需要设定的激光参数包括功率密度Io、脉冲宽度、光斑的直径大小d、光束能量E、搭接率、冲击次数等等。激光功率密度的选择是

55、根据不同材料所具备的物理力学特性，以及不同种类的吸收层对激光束所诱导的冲击波压力的衰减效果等综合考虑的。激光脉冲宽度对于激光冲击后的塑性影响区的范围和强化效果都有着很大影响，材料塑性变形层的深度随着激光束所诱导形成的冲击波的脉宽的增大而增大，二者呈线性关系。在脉冲宽度值大时，冲击效果相对脉宽小更好。但考虑到过大的脉冲宽度会造成靶材表面的热破坏，脉冲宽度应选取合理大小才能达到最理想的效果。六、气相沉淀利用激光作为气相沉淀的热源,可在基体材料表面形成各种陶瓷层。利用300 W的CO2 激光器,以0. 11 m/ min 的速度可在工件上形成Si3N4 、NB、SiAlOn、Mullite 等陶瓷层

56、。目前,这一领域中最热门的是XeCl 激光化学气相沉淀。它是用激光束取代传统的热能和等离子体, 气相沉淀的线条宽度的分辨率可达0. 2m ,且为低温处理工艺,因此可用于制造高质量的精密设备。只是XeCl 激光的寿命及可靠性问题, 尚需要进一步寻求解决办法。在国外, 正在研究利用激光脉冲在室温进行B4C 无定形薄层沉淀,薄层厚500 nm;而且还进行了沉淀MoO3 薄层,研究的焦点是氧化物微粒压力和沉淀温度对化合物的结构、表面形态以及光学性能的影响,从而了解MoO3 薄层的生长机制21 第四章激光表面改进技术术存在问题和前景展望一、存在问题为了使激光表面处理技术获得到更加广泛的应用,该技术还需要加强从以下几个方向努力:1、 研制出新的激光器,将激光功率提高到20kW 或20 kW 以上,同时发展辅助设备,如光束成形和制导系统,以满足处理面积更大、形状更复杂的工件的需要。2、 加强激光表面处理技术改性机理的研究,解决好温度场测定不够精确的问题,并从