激光表面處理技術(shù)及其進(jìn)展

1、激光表面表面處理技術(shù)及進(jìn)展許彥明指導(dǎo)老師：宋世濤（河北科技師范學(xué)院理化學(xué)院化學(xué)0703班）摘要：激光具有巨大的技術(shù)潛力，在冶金和材料加工中發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。激光表面處理由于其對(duì)工業(yè)和生產(chǎn)作出了巨大貢獻(xiàn)，已成為飛速成長(zhǎng)的重要加工技術(shù)領(lǐng)域。本文較系統(tǒng)地介紹了國(guó)內(nèi)外激光表面處理技術(shù)的研究與應(yīng)用近況，指出了這項(xiàng)技術(shù)今后需解決的問題。關(guān)鍵字：激光；表面處理；進(jìn)展0前言激光的出現(xiàn)時(shí)近代物理學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展。第一臺(tái)激光器于60年代初問世，對(duì)激光表面

2、熱處理工藝的研究早在激光器誕生后不久就已經(jīng)開始，但直到60年代末、70年代初才在熱處理生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。激光在金屬熱處理方面取得成功，標(biāo)志此技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)人了新灼階段。隨著大功率激光器的研制成功與不斷完善，這一新工藝用于汽車轉(zhuǎn)向器表面處理的生產(chǎn)線[1]。國(guó)內(nèi)經(jīng)過“六五”計(jì)劃的聯(lián)合攻關(guān)，已在汽缸套等零部件的表面熱處理上獲得成功，取得了一批科研成果。隨之而發(fā)展的表面涂覆(cladding)，表面上釉(Glazing)及表面合金化(Surfaee

3、Alloing)等工藝[2]也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。與上述工藝相比較，激光表面熱處理是當(dāng)前比較成熟、應(yīng)用比較廣泛的工藝。1激光表面處理技術(shù)的特點(diǎn)[3]1)通過選擇激光波長(zhǎng)調(diào)節(jié)激光功率等手段，能靈活地對(duì)復(fù)雜形狀工件或工件局部部位實(shí)施非接觸性急熱、急冷。該技術(shù)易控制處理范圍，熱影響區(qū)小，工件產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及變形很小。2)可在大氣、真空及各種氣氛中處理，制約條件少，且不造成化學(xué)污染。3)通常，激光表面處理的改性效果比普通處理方法更顯著4)激光束

4、能量集中，密度大，速度快，效率高，成本低。5)可縮短工藝流程，處理過程中工件可以運(yùn)動(dòng)，故特別適合組織自動(dòng)化處理線。6)激光束便于通過導(dǎo)光系統(tǒng)準(zhǔn)確地輸人與定位，亦能導(dǎo)向多個(gè)工作臺(tái)，可大大提高激光的使用率和處理的效率。7)激光表面處理尤其適用于大批量處理生產(chǎn)線，其成本比傳統(tǒng)的表面熱處理低。2激光表面相變應(yīng)化(LTH)107~109Ks的加熱速度會(huì)發(fā)生熔化，其中的各種元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入零件液態(tài)金屬的薄層內(nèi)[7]。當(dāng)冷卻凝固時(shí)將形成固溶體和化合物夕表

5、面發(fā)生合金化.最近有些國(guó)家對(duì)利用含Cr，Ni和Mo的鐵基合金進(jìn)行激光表面合金化的工藝產(chǎn)生極大興趣，這種方法既可改變金屬性能，又可節(jié)約材料、降低成本，可用普通碳鋼等廉價(jià)材料獲得表面耐磨、防蝕和抗高溫氧化性很高的零件。用預(yù)置石墨粉習(xí)通過熔化或熔化后再進(jìn)行滲碳形成碳化物的表面合金化可明顯地提高表面硬度。阻礙激光表面合金化廣泛應(yīng)用的障礙，除設(shè)備投資大、成本高外，就是在材料處理過程中表面易產(chǎn)生氣孔、裂紋以及表面平整度的下降.針對(duì)后者，研究者根據(jù)具

6、體情況加強(qiáng)研究，已經(jīng)摸索出一些可行的辦法[8]。Ion用實(shí)驗(yàn)證明，激光表面合金化是提高低碳鋼耐腐蝕性能的一種可行的辦法。他使用的激光器功率為6kw，合金元素為鉻，激光合金化層的厚度為0.5mm[9]，使耐腐蝕性大大提高。Mazulnde等用激光使1016低碳鋼表面以鉻、錳、碳合金化。結(jié)果證實(shí)，用激光加工過的材料在銷一柱磨損試驗(yàn)中表現(xiàn)出比Stelhte6合金[10]還要好的耐磨性。作者認(rèn)為，耐磨性的提高歸因于樹枝狀組織和鉻的碳化物，且枝晶

7、越細(xì)，耐磨性越好.較低的激光功率和較高的激光一工件相對(duì)移動(dòng)速率可以得到較高耐磨性的合金層。5激光表面沖擊硬化(LSH)激光沖擊硬化是前蘇聯(lián)學(xué)者在70年代初提出的。利用極高功率密度(大于10swcm，)激光束沖擊(作用時(shí)間為10~85數(shù)量級(jí)甚至更短)工件表面[11]，使表層幾微米的薄層迅速被加熱汽化。在極短的時(shí)間內(nèi)，金屬蒸氣由于受到外部介質(zhì)的限制而在沖擊區(qū)形成超高壓沖擊波(最大10GPa左右)。隨著沖擊波向基體內(nèi)的傳遞，會(huì)在表層產(chǎn)生壓應(yīng)力

8、區(qū)，并出現(xiàn)某些微觀特性的改變，從而改善了金屬的機(jī)械性能。Chan使用名義功率為10GWcm2，脈沖時(shí)間為20~40ns的脈沖Q開關(guān)的YAG激光器使鑄鐵、7075和7475鋁合金沖擊硬化，沖擊振幅為5.6GPa.兩種鋁合金的疲勞壽命均得到提高.其原因是表面存在殘余壓應(yīng)力。文獻(xiàn)[12]作者認(rèn)為，為了得到表面殘余壓應(yīng)力，應(yīng)對(duì)熱應(yīng)力的作用和沖擊波的作用加以區(qū)分。試驗(yàn)說明，使用吸收涂層后可以得到表面殘余壓應(yīng)力.由于只有沖擊波透人材料，該區(qū)域受張力

9、變形，但受周圍材料的約束，被約束的區(qū)域就是一個(gè)壓應(yīng)力區(qū)。如果熱量進(jìn)人該區(qū)域，膨脹將會(huì)導(dǎo)致變形，在冷卻時(shí)將會(huì)產(chǎn)生張應(yīng)力。激光沖擊硬化可以得到與噴丸相近的殘余應(yīng)力水平，但表面損傷更小，且能得到更大的透入深度。6激光表面熔覆激光熔覆也稱激光包覆，是利用一定功率密度的激光束照射(掃描)被覆金屬表層上的外加純金屬或合金[13]，使之完全熔化，而基材金屬表層微熔，冷凝后在基材表面形成一個(gè)低稀釋度的包覆層，從而使基材強(qiáng)化的工藝.激光熔覆的熔化主要發(fā)生

10、在外加的純金屬或合金中，基材表層微熔的目的是使之與外加金屬達(dá)封冶金結(jié)合，以增強(qiáng)包覆層與基材的結(jié)合力，并防止基材元素與包覆元素相互擴(kuò)散而改變包覆層的成分和性能[13]。激光熔覆工藝主要有兩種:一種是預(yù)置涂層法，是用電鍍、真空蒸鍍、等離子噴涂、火焰噴涂、粘結(jié)等方法將要熔覆的金屬粉末事先涂覆在基材表面，然后用激光重熔，這種方法可稱為激光涂覆另一種是同步送料法，即在激光照射過程中，將粉末或條、絲狀純金屬或合金連續(xù)送入熔池內(nèi)，其中用氣體將粉末以一