激光表面改性技術2011光信息科學與技術指導老師：魯晶學生：肖馮俊樹1.什么是激光表面改性技術？2.激光表面改性技術有哪些用途？3.激光表面改性的分類（簡單介紹5種，激光熔覆、激光淬火、激光表面熔凝、激光表面強化、激光表面合金化）、特點及其各自的應用。4.激光表面改性的前景和存在問題。1.什么是激光表面改性技術？一般原理激光與材料表面相互作用過程一般原理

激光表面改性技術是采用高功率密度的激光器，利用光學聚焦透鏡將激光束聚焦，從而獲得很高的激光功率密度和溫度。以非接觸的方式，照射到材料表面，使金屬材料表面在瞬間（毫秒甚至微秒級）被加熱或熔化后，借助于材料表面自身傳導快速冷卻。在激光束與材料表面相互作用的過程中，通過熱效應及化學反應等方式，改變材料表面的組織結構、物理性能、化學成分、應力狀態等，從而改善材料表面性能（如耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性和抗疲勞性等）的工藝方法。激光與材料表面相互作用過程

激光與材料表面的相互作用按激光強度和輻射時間分為幾個過程：1.吸收光能量2.能量傳遞3.冷卻4.

材料表層組織的改變（形成強化薄層）2.激光表面改性技術有哪些用途？（1）：提高材料表面的耐腐蝕性（抗氧化性）（2）：提高材料表面的耐磨性（3）：提高材料表面的抗疲勞性（4）：改善和修復損壞的零部件總之：激光表面改性技術在改善和強化材料表面性能，提高材料的使用壽命方面具有突出的優越性。3.激光表面改性技術的分類激光熔覆、激光淬火、激光表面熔凝、激光表面沖擊強化、激光表面合金化（1）激光熔覆（亦稱為激光包覆，或者激光熔敷）

a原理：通過在基體材料（基材）表面添加一層熔覆材料，再利用高能密度的激光束對其表面輻射加熱，使基材表面薄層和熔覆材料發生熔化，由于材料自身熱傳導作用，被輻射后的材料表面迅速冷卻溫度降低，并快速凝固形成一層與其為冶金結合的填料熔覆層。b方法：一步法（同步送料法）和預置法（P5–P6）c優點：①涂層與基材集合好，熔覆組織致密。

②降低材料成本，降低能源消耗，節約貴重稀有金屬。

d用途：材料表面改善和修復（2）激光淬火（激光相變硬化）a原理：利用聚焦后的激光束，掃描材料表面，使材料表面溫度迅速升高到相變點以上，當激光移開后，由于仍處于低溫的內層材料快速導熱作用使受熱表層快速冷卻到馬氏相變點以下獲得淬硬層，進而實現材料表面的相變硬化。b優點：①不需要淬火介質，加熱速度快。

②淬火后工件變形小，適合高精度要求的零件表面處理。c用途：增加材料表面抗疲勞強度（3）激光表面熔凝（激光熔化淬火）a原理：指激光束照射到材料表面，使其表面薄層熔化，在移開激光光束后，熔化的表層材料迅速凝固，組織得以細化，成分偏析減少，缺陷率降低，凝固組織中呈現較高的壓應力狀態，獲得較為細化均質的組織，從而改善和強化材料表面。b優點：①一般不添加合金元素。

②熔凝層與材料基體是天然的冶金結合。

③在熔凝過程中，可以排除雜質和氣體。

④同時極冷重結晶獲得的組織具有較高的硬度、耐磨性、抗蝕性c用途：提高材料硬度，耐磨性和抗腐蝕性（4）激光沖擊強化a原理：指利用高能量密度、短脈沖激光掃描材料表面，由于材料吸熱后升華氣化而急速膨脹甚至等離子體化，并引起爆炸波以及在表面產生沖擊波，從而使材料表面強化的技術。在激光與材料相互作用的過程中，由于高壓沖擊應力波的產生，使材料表面產生塑性變形，形成大量的高密度位錯和殘余壓力，從而可大幅度提高材料表面的硬度和抗疲勞性。b優點：①可在空氣中進行，對基體材料不產生畸變。

②可沖擊強化精加工工件的曲面（如齒輪、軸承等）c用途：提高材料抗疲勞壽命（5）激光表面合金化a原理：利用高能密度的大功率激光束將基底材料局部區域表面加熱到一定固態溫度或形成一層薄的熔區，通過擴散或添加合金元素或化學反應，改變表面化學成分以改善材料表面的性能。b優點：①可利用氣體或液體材料作為合金元素

②合金化層組織小，結構致密，氣孔率低

③無需以工件作為電極傳導，粉末材料和基體材料使用面廣

④

熱影響區小，工件變形小c用途：常用于在磨損、腐蝕、高溫氧化等工作條件下的工件表面強化，以及修復磨損件。4.激光表面改性的前景和存在問題（1）存在問題①激光功率不夠大，且輔助設備待研發和提高。②處理面積小，對于大面積、形狀復雜的工件難以實現高效率加工。③激光表面處理技術改性機理還不完善，溫度場的測定還不夠精確，激光表面處理加工過程中的熱應力、熱應變和加工后的殘留應力問題沒有很好理論解釋。④激光表面處理工藝參數、材料性能以及表面狀況（如吸光率）等處理后表層性能的影響研究不完善。⑤設備昂貴，一次性投入高。（2）前景①利用激光表面處理技術，在一些表面性能差和價格便宜的基體金屬表面獲得合金層，用以取代昂貴的整體合金，節約貴金屬和材料，使廉價材料獲得應用，從而大幅度降低成本。②可以用來研制新材料和代用材料，制造出在性能上與傳統冶金方法根本不同的表面合金，應用在太空、高溫和化學腐蝕環境條件下的機械零件上。③為了得到綜合效果更好的表面層，復合表面改性技術將是激光表面改性的一個重要方向。④隨著激光器、機器人和自動控制技術的發展，激光表面改性將向著大功率，自動化、智能化方向邁進。⑤國外正在進行用激光沖擊波來改善飛機結構中緊固件周圍疲勞性能的應用研究。發現6.5mm板厚的裂紋擴展試件和緊固試件的高頻疲勞壽命，在激光處理后比處理前延長100倍。⑥激光表面處理技術無污染特點，對環保幾乎沒有負面效應，明顯的性能優勢將使激光表