激光表面改性

激光表面工程学简介主讲人：张瑞麟组员：黄泽峰张瑞麟指导老师：谢小柱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20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。引言激光表面处理原理通过将高功率密度激光束向工件表面进行照射，光能被工件表面所吸收，光能转换成热能，从而实现表面处理。主要设备包括激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统等构成优势激光表面改性主要用于改善金属制品的表面性能，它可以显著提高金属零件表面的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品的质量，延长产品的使用寿命，降低成本。柔性激光加工系统示意图激光表面改性激光表面毛化激光表面熔覆激光表面淬火激光表面合金化激光冲击硬化激光淬火是将104～105W/cm2高功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度将工件表面极薄的一层（0.1~1.0mm范围内）迅速升温至相变点以上，此时工件的基体还处于冷态，由于热传导的作用，表面的热量迅速传到工件其他部位，以105℃/s的速度快速冷却到马氏体相变点以下，从而实现自冷淬火，产生相变硬化。从理论上讲，激光淬火的冷却速度比一般热处理淬火的冷却速度要提高约1000倍。奥氏体激光淬火激光淬火45钢表面激光淬火区横截面金相组织图该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线图“维氏硬度”优点：•1、淬硬层晶粒细化，硬度比常规淬火提高15％～20％。•2、加热速度极快，工艺周期短，生产效率高，成本低，工艺过程容易实现计算机控制。•3、对于槽壁（底）、小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等特殊部位，只要光束能照射到的部位均可进行处理。•4、可进行大型零件局部表面以及形状复杂零件的硬化处理。•5、淬硬层深度可精确控制。•6、可以实现自冷淬火，不需要油或水等介质。激光淬火齿圈周向螺旋扫描激光淬火齿轮轴激光表面淬火卷曲机大面积激光相变轴毂激光表面淬火激光表面改性激光表面毛化激光表面熔覆激光表面淬火激光表面合金化激光冲击硬化原理及分类：LaserCladding，LSC，亦称激光包覆、激光涂覆、激光熔敷。它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成与其冶金结合的添料熔覆层，以改善其表面性能的工艺。根据熔覆材料添加方式的不同，分为同步送料法LSC和预置涂层法LSC两种工艺方法。同步送料法LSC示意图激光表面熔覆激光表面熔覆预置涂层法LSC示意图激光表面熔覆工艺特点：①可获得各种所需性能的涂层，厚度可达6～7mm；工艺易控制；粉末消耗小；②适用的基材金属广；③工件变形小，热影响区小，稀释率低；④涂层组织细密，但易产生气孔和裂纹，不适于在较大面积的工件上进行强化或修复。激光表面改性激光表面毛化激光表面熔覆激光表面淬火激光表面合金化激光冲击硬化激光表面合金化概念及性质是在高能量激光束的作用下将一种或多种合金元素和基体材料表层一起迅速熔化后凝固,在材料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,又改变了表面的组织结构和物理状态。激光表面合金化与激光表面熔覆的不同在于:1.激光表面合金化是使添加的合金元素和基材表层在液态下充分混合而形成合金化层。2.而激光表面熔覆则是使预涂层全部熔化而基体表层微熔,从而使熔覆层与基体材料形成冶金结合而保持熔覆层的成分基本不变。与之前的激光表面熔覆有什么区别？激光表面合金化激光合金化和激光熔覆技术主要用来提高材料的表面耐磨、耐蚀和抗氧化等性能。经过激光合金化处理后的材料，表面是高性能的合金层，材料内部仍然是廉价的基体材料。激光表面合金化最早的激光表面合金化方式是激光气体氮化。激光气体氮化工艺的研究始于1983年,它是利用高能激光束为热源,照射工件表面使其熔化形成液相金属熔池;同时,在高纯氮气气氛下,高能激光束将氮气的三键打开,将其激活为活性氮原子。进而在熔池中与金属液体发生强烈化学/冶金反应,随着热源的移动,快速冷却凝固,形成枝晶状的氮化物表层。最终达到提高表面硬度和耐磨性的目的,是近些年来发展起来的很有前途的表面改性技术。枝晶状的氮化物表层激光表面合金化优点:(1)基体的热变形小,可通过控制激光辐射条件,改变激光条件(激光功率密度、扫描速度等)以及氮束流等因素来控制和实现氮化;(2)加工条件简单,无须高真空,样品在大气气氛中常压下即可实现氮化;(3)以氮气为反应气体,经济无污染;(4)可以处理复杂构件;(5)能够有选择的对局部区域进行快速氮化处理,氮化时间短;激光表面改性激光表面毛化激光表面熔覆激光表面淬火激光表面合金化激光冲击硬化原理激光毛化是用高能量密度(104W/cm2至106W/cm2)、高重复频率(每秒数千次至上万次)的脉冲激光束聚焦照射到材料表面，局部熔化、汽化,形成若干微小熔池（毛化关键）。由于热传递，在熔池横向和纵向产生温度梯度形成张力，决定了熔池内熔化材料是从四周向中心或从中心向四周流动。激光作用后，变形熔池快速冷却凝固形成毛化点。若熔流从中心向四周流动，熔池四周隆起而中心塌陷，凝固后的毛化点为凹坑；若熔流从四周向中心流动，熔池中心隆起，凝固后的毛化点形成凸台。激光表面毛化张力轧辊表面在毛化过程中辅以一定成分和压力的气体沿一定角度侧吹熔池中的熔融物,使其按一定要求堆积到熔池边缘,形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑边凸台结构,如图1所示。激光表面毛化激光表面毛化特点1、经激光毛化的工件表面，其硬度、强度明显高于其它毛化方式。并能有效的避免残余应力集中、韧性降低等现象。2、形成表面微坑：a、有储油和冷却作用--减小摩擦，有利加工；b、容纳金属屑--减少划伤，提高表面质量；c、可增强板面对涂层的附着力和提高成表面涂漆光亮度，增加产品的附加值。3、激光毛化形貌均匀、可控，提高了工件表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。激光表面改性激光表面毛化激光表面熔覆激光表面淬火激光表面合金化激光冲击硬化激光冲击硬化原理：将高功率（≥109W/cm2）、短脉冲（ns量级）激光照射在涂层表面上，涂料被气化并产生等离子体，气态等离子体被限制在透明材料与工件表面之间，在进一步的激光辐照下，由于气体吸热再度膨胀从而产生冲击应力波（高达10GPa）轰击工件表面，使金属内部发生塑性应变，形成高位错密度的亚结构（从晶体结构来看，产生紊乱错位），在工件表面留有较高的残余应力区，从而提高材料表面硬度、屈服强度、裂纹扩展抗力及疲劳寿命。激光冲击硬化特点1、激光冲击强化处理是作用在材料上的力学效应。2、冲击压力极高（可达10GPa），可获得深达800-1100um的塑性变形层（传统冲击加工塑形变形层只有250um）。激光束能精确定位，可以实现对传统工艺无法处理的部位进行强化,如：小槽、小孔和轮廓线。激光应力波作用时间很短，不产生热影响区，对材料的表面粗糙度及尺寸精度影响小。激光冲击强化处理可在空气中直接进行，对工件尺寸形状及所处环境适应性强，工艺过程简单，易于自动化。激光表面处理相对于传统热处理的优势：高效率高精度低成本易控制各种毛化技术的比较：毛化类型喷丸毛化电火花毛化电子束毛化激光毛化激光诱导放电毛化毛化原理机械加工熔化汽化加工熔化汽化加工熔化汽化加工熔化汽化加工毛化点分布方式随机随机可确定可确定可确定粗糙度/µm1.5-5.00.5-12.0随意0.8-10.00.5-12.0均匀性/再现性差好好好好可控性差中好好好环境污染情况中中低中中设备运行成本低中高偏高中谢谢！致谢，谢小柱老师！感谢课题组黄泽峰同学的鼎力支持！