激光發(fā)展及現(xiàn)狀

1、2018屆機械工程及自動化專業(yè)畢業(yè)生論文(設(shè)計) 課題名稱：激光表面處理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展 學(xué)生姓名：張成名 指導(dǎo)教師：孫明 江南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 2018年 1 月摘要：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工業(yè)和生產(chǎn)作出了巨大貢獻，已成為飛速成長的重要加工技術(shù)領(lǐng)域。另外，應(yīng)用激光對材料表面實施處理也是一門新技術(shù)。論文簡述了激光表面改性的研究和發(fā)展現(xiàn)狀,特別是激光表面淬火、激光熔凝、激光表面合金化合、激光熔覆等四種技術(shù),以及對各項技術(shù)的原理、特點和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分別加以描述。最后，還簡述了激光表面改性技術(shù)存在問題和發(fā)展前景。關(guān)鍵字：激光；表面處理；應(yīng)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;目錄摘要第一章：緒論一、選題目的及意義.二、擬解決的主要問題或創(chuàng)新之處第二章：激光表面處理技術(shù)的原理及

5、特點一、激光表面處理技術(shù)的特點二、激光表面相變應(yīng)化(LTH)三、激光表面熔化(LSM)四、激光表面合金化(LSA)五、激光表面沖擊硬化(LSH)六、激光表面熔覆七、激光施袖八、激光退火九、激光氣相沉積十、激光表面處理過程中的殘余應(yīng)力第三章：激光表面處理技術(shù)、應(yīng)用及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀一、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、激光沖擊硬化六、氣相沉淀第四章：激光表面改進技術(shù)術(shù)存在問題和前景展望一、存在問題二、前景展望參考文獻第一章緒論一、選題目的及意義.激光的出現(xiàn)時近代物理學(xué)的一個重大進展。第一臺激光器于60年代初問世，對激光表面熱處理工藝的研究早在激光器誕生后不久就已經(jīng)開始

6、，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。國內(nèi)經(jīng)過“六五”計劃的聯(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(SurfaeeAlloing)等工藝也取得了相當(dāng)大的進展。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2。材料表面處理有許多種方法,應(yīng)用激光對材料表面實施處理則是一門新技術(shù)。激光表面處理技術(shù)的研究始于2

7、0 世紀(jì)60 年代,但是直到20 世紀(jì)70 年代初研制出大功率激光器之后,激光表面處理技術(shù)才獲得實際的應(yīng)用,并在近十年內(nèi)得到迅速的發(fā)展。激光表面處理技術(shù),是在材料表面形成一定厚度的處理層,可以改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能,從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能,以滿足各種不同的使用要求。實踐證明,激光表面處理已因其本身固有的優(yōu)點而成為發(fā)展迅速、有前途的表面處理方法。二、擬解決的主要問題或創(chuàng)新之處1.研制出性能穩(wěn)定可靠、成本低的大功率激光設(shè)備；提高設(shè)備的配套化和自動化程度，以更好地實現(xiàn)精確的溫度控制；擴大激光表面處理技術(shù)的應(yīng)用范圍；推動寬帶掃描技術(shù)的發(fā)展，以解決窄帶掃描

8、搭接帶軟化問題；進一步提高生產(chǎn)率，促進激光表面處理技術(shù)的普遍應(yīng)用。2.加強對激光表面處理技術(shù)改性機理的研究，解決好溫度場測定不夠精確的間題，加強相關(guān)測試技術(shù)的研究，并從理論上加強對某些激光表面處理技術(shù)產(chǎn)生表面殘余拉應(yīng)力和裂紋的機理研究，提出具體解決措施。3.系統(tǒng)地研究激光表面處理工藝參數(shù)、材料性能、表面狀況(吸光率)等對處理后表面層性能的影響，掌握最佳工藝參數(shù)組合，發(fā)展成形工藝。第二章激光表面處理技術(shù)的原理及特點一、激光表面處理技術(shù)的特點3激光是一種相位一致、波長一定、方向性極強的電磁波,激光束由一系列反射鏡和透鏡來控制,可以聚焦成直徑很小的光(直徑只有0. 1 mm) , 從而可以獲得極高的

9、功率密度(104109 W/ cm2) 。激光與金屬之間的互相作用按激光強度和輻射時間分為幾個階段:吸收光束、能量傳遞、金屬組織的改變、激光作用的冷卻等。它對材料表面可產(chǎn)生加熱、熔化和沖擊作用。隨著大功率激光器出現(xiàn),以及激光束調(diào)制、瞄準(zhǔn)等技術(shù)的發(fā)展,激光技術(shù)進入金屬材料表面熱處理和表面合金化技術(shù)領(lǐng)域,并在近年得到迅速發(fā)展。激光表面處理采用大功率密度的激光束、以非接觸性的方式加熱材料表面,借助于材料表面本身傳導(dǎo)冷卻,來實現(xiàn)其表面改性的工藝方法。它在材料加工中具有許多優(yōu)點是其他表面處理技術(shù)所難以比擬的：1、通過選擇激光波長調(diào)節(jié)激光功率等手段，能靈活地對復(fù)雜形狀工件或工件局部部位實施非接觸性急熱、急

10、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動，故特別適合組織自動化處理線。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)向多個工作臺，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。8、由于激光對人眼的傷害性影響工作人員的安全,因此要致力于發(fā)展安全設(shè)施。二、激光表面相變應(yīng)化(LTH)不論激光束是如戶

11、J產(chǎn)生的，激光束僅是一加熱金屬的熱源，金屬經(jīng)激光熱處理后，一般不出現(xiàn)異常的治全變化。相變硬化是一種兒乎無尺寸變化而能達到冶金相變的加工技術(shù)。利用激光束可以選擇小面積加熱和對需要部位硬化。實現(xiàn)激光相變硬化有三個基本條件仁:第一，金屬硬化區(qū)必須達到奧氏體化溫度;第二，在加熱與冷卻周期內(nèi)硬化區(qū)在奧氏體化溫度區(qū)應(yīng)保持足夠長的時間，以保證碳能充分的擴散;第三，應(yīng)具有足夠大的自身淬火能力，其冷卻速度應(yīng)超過臨界冷卻速度。金屬經(jīng)激光相變硬化的冶金變化不同于普通淬火之處有以下幾點:1、激光相變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條件下形成馬氏體，另一方面則由于極快的加熱和冷卻速度使獲得變形馬氏體

12、4。2、激光相變硬化能力決定于所處理的材料。一般地說，凡適合于普通淬火的材料也適合于激光相變硬化。但對低碳鋼當(dāng)其碳含量在0.2%以下時普通淬火一般難于淬硬5，而激光相變硬化卻可以極快冷卻速度使其淬硬5。對具有石墨組織的鑄鐵普通淬火亦不易淬硬，但激光相變硬化也可使其淬硬，盡管在如此短的擴散時間內(nèi)完成。3、對于含有分散球狀碳化物的鋼或含大量石墨不含珠光體的鑄鐵，由于相變時間太短，激光相變硬化難以使其淬硬。工具鋼和高速鋼的激光表面硬化引起許多研究者的興趣6。Brover13用脈沖激光器研究了不同組織的R6MS激光高溫快速硬化的可能性.實驗證明，不同激光能量水平和加熱速度與不同原始組織配合，可以得到不

13、同程度和均勻性的固溶體，從而得到在服役條件下所需要的優(yōu)化的數(shù)值。Mulin等14用l000J的激光器硬化12X18N9T，13N5A砧A和1201工具鋼。激光硬化的工具鋼的耐磨性是非硬化工具的20一25倍，是帶有氮化欽表面涂層的2一4倍。三、激光表面熔化(LSM)（一）激光表面熔化在滿足表面某些需要，如耐磨性、耐蝕性、防止氧化等方面顯出獨特優(yōu)點?？捎眉す獗砻嫒刍玫郊?xì)晶組織、非晶態(tài)和亞穩(wěn)相，低的氣孔率和光滑的表面，基體中較小的熱影響區(qū)以及良好的基體與表面的結(jié)合。（二）光表面熔化施于鋼鐵常產(chǎn)生硬度很高的表面，可有效提高耐磨性;施于有色金屬?？色@得十分細(xì)而均勻的組織廣。激光熔化高速鋼時，先使原始組

14、織迅速熔解，以后冷卻時可保留大量己鐵素體和奧氏體，可明顯地提高硬度.激光熔化鑄鐵時可在萊氏體區(qū)形成細(xì)組織涂層激光熔化鎳基合金時，則可得到過飽和基體相的細(xì)枝晶結(jié)構(gòu)，同時枝晶區(qū)域內(nèi)細(xì)MC碳化物質(zhì)點和共晶組成。（三）美國NASAMarshen航天中心正致力于提高航天飛機(SSME)許多零件的壽命或修復(fù)完成每一次飛行任務(wù)之后的零件。主燃燒室中最關(guān)鍵的部件是其內(nèi)襯(熱壁)，它由鍛造的NARloyz制成.該合金在580一760的溫度范圍暴露96h后，可觀察到晶界析出物及無析出區(qū)，這些都會降低主燃燒室內(nèi)襯的壽命.一旦析出物形成，除了用熔化方法以外，很難用熱處理的方法使其回到固溶體中去.激光上釉是細(xì)化鍛造NA

15、Rloyz的顯微組織的一種很有效的方法.用這種方法得到了很細(xì)的激光上釉顯微組織，第二相均勻分布和錯在銅基體中的擴展固溶體，使合金熱穩(wěn)定性和時效硬化得到很大改善。四、激光表面合金化(LSA)許多鐵合金等較難熔材料在接觸激光功率密度達106W/mm2的受熱表面時，足以達到107109K/s的加熱速度會發(fā)生熔化，其中的各種元素擴散進入零件液態(tài)金屬的薄層內(nèi)7。當(dāng)冷卻凝固時將形成固溶體和化合物夕表面發(fā)生合金化.最近有些國家對利用含Cr，Ni和Mo的鐵基合金進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材料獲得表面耐磨、防蝕和抗高溫氧化性很高的零

16、件。用預(yù)置石墨粉習(xí)通過熔化或熔化后再進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.針對后者，研究者根據(jù)具體情況加強研究，已經(jīng)摸索出一些可行的辦法8。Ion用實驗證明，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0.5mm9，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，用激光加工過的材料在銷一柱磨損試驗中表現(xiàn)出比Stelhte 6合金10還要好的耐磨性

17、。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移動速率可以得到較高耐磨性的合金層。五、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10sw/cm，)激光束沖擊(作用時間為1085數(shù)量級甚至更短)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，會在表層產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)，并出現(xiàn)某些微觀特性的改變，從而改善了金屬的機械性能。Chan使用名義功率為10GW/cm2，脈沖時

18、間為2040ns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12作者認(rèn)為，為了得到表面殘余壓應(yīng)力，應(yīng)對熱應(yīng)力的作用和沖擊波的作用加以區(qū)分。試驗說明，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)域受張力變形，但受周圍材料的約束，被約束的區(qū)域就是一個壓應(yīng)力區(qū)。如果熱量進人該區(qū)域，膨脹將會導(dǎo)致變形，在冷卻時將會產(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。六、激光表面熔覆激光熔覆也稱激光包覆（見下圖所示），是利用一定

19、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低稀釋度的包覆層，從而使基材強化的工藝.激光熔覆的熔化主要發(fā)生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封冶金結(jié)合，以增強包覆層與基材的結(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

20、內(nèi)，其中用氣體將粉末以一定角度吹入熔池的方法稱為激光噴涂。激光熔覆與合金化類似?？筛鶕?jù)要求在表面性能差的低成本鋼上制成耐磨、耐蝕、耐熱、耐沖擊等各種高性能表面，來代替昂貴的整體高級合金，以節(jié)約貴重金屬材料。包覆層組織細(xì)小，一般無氣孔和空穴。將硬質(zhì)TIC顆粒覆于高速鋼表面，通過激光包覆處理得到TIC熔化層，然后進行快速淬火。這樣獲得的表面包覆有極高硬度HV2100一2700，最高可達HV310014。高速鋼激光包覆的壽命為普通熱處理鋼的8.4倍15，最高達11.2倍。可以預(yù)料，這種處理方法將廣泛用于加工難切削材料的刀具。較常采用的激光包覆與基體的組合形式有如下兒種上:不銹鋼一軟鋼;不銹鋼-鋁;軟

21、鋼一不銹鋼，硬質(zhì)合金一軟鋼;硬質(zhì)合金一黃銅;鐵硼一軟鋼;鎳一軟鋼;鉻一欽。除以上所述外，激光包覆工藝還具有以下獨到的優(yōu)點:可控制稀釋度，減少局部加熱時的熱變形，精確控制零件外形尺寸，可獲得良好熱結(jié)合性和精細(xì)淬火組織。    另外，采用同步送粉法將合金粉末添加進激光熔池，熔覆層稀釋率小，界面呈冶金結(jié)合狀態(tài)，工件變形小、加工余量小、熔覆層無氣孔和裂紋缺陷，硬度在HRC2060可選，熔覆層耐磨抗蝕性能優(yōu)異，適合各類復(fù)雜形狀零件的熔覆或再制。不同模式激光光斑熔覆工藝對照圖目前應(yīng)用領(lǐng)域：  目前應(yīng)用于電力、石油、化工、船舶、艦艇、機車等行業(yè)，熔覆或再制造后的產(chǎn)品質(zhì)

22、量穩(wěn)定可靠，取得了良好的經(jīng)濟和社會效應(yīng)。七、激光施袖激光上釉是利用激光束熔化金屬表面后再以106/s的冷速進行快速淬火和凝固夕使合金元素和碳的擴散受到抑制.這樣一來，高溫相隨著其溶解度極限被保留到室溫，得到過飽和固溶體.然后再重新加熱進行彌散硬化處理。此亞穩(wěn)相的熱處理使金屬的硬度和強度進一步提高.激光施釉的快速冷卻提供了許多有用的冶金結(jié)構(gòu)，如非晶態(tài)組織，即金屬玻璃。“施釉”一詞即由此而來.激光施釉層常包括非晶層與結(jié)晶層，結(jié)晶層內(nèi)主要為枝晶區(qū)，內(nèi)與基體相連，非晶層為表面層。激光施釉結(jié)合火焰噴涂、離子噴涂、離子沉積等沉積技術(shù)在控制組織、提高表面抗蝕、耐磨和性能方面日益顯示出廣闊的應(yīng)用前景。冷態(tài)工具

23、鋼(50CrNi3，X1CrMOV12)、熱態(tài)工具鋼(NICrMoV，X32CrMoV33)和高速鋼先進行離子涂WC一Co，然后激光施釉可顯著提高硬度。電子材料、磁性材料和其它一些電氣材料用激光施釉后用于檢驗儀表上極為理想15。八、激光退火激光退火有兩類:一類是激光誘導(dǎo)表面熔化，通常稱“激光退火”;另一類是用激光束進行局部軟化退火。激光退火常應(yīng)用于半導(dǎo)體，可消除硅中離子注入所產(chǎn)生的嚴(yán)重膨脹損傷，如對石墨帶加熱器已應(yīng)用激光退火，可在Si層上形成SiO2層。氧化物層通過別中氧離子注入形成。離子注入后表面Si層是高無序的，但尚不是非晶態(tài)，高溫(1200)退火將保持此Si層的晶性16。曾對冷加工金屬(

24、CuNi4，SMnZ，SA14，CuNi78Z:，衛(wèi)。，X12CrNi3和低碳鋼)和時效硬化材料(AIMgsiZ)的局部軟化進行了研究。變形冷加工金屬被加熱至某一不熔化或熔化溫度時，會發(fā)生局部再結(jié)晶而降低硬度.可以預(yù)料，對整體材料的激光退火將會逐漸被應(yīng)用到材料加工制造工業(yè)上。九、激光氣相沉積激光氣相沉積可分為激光物理氣相沉積和激光化學(xué)氣相沉積，可以在基板上形成各種性能的薄膜，成膜速度快，質(zhì)量好。如用激光物理氣相沉積可以形成各種氧化物、氮化物的陶瓷鍍膜和氧化物高溫超導(dǎo)膜;用激光化學(xué)氣相沉積可合成金剛石薄膜和非晶態(tài)硅。日·本已用激光化學(xué)氣相沉積法生長出五氧化擔(dān)薄膜，該薄膜具有極高的耐蝕性

25、17。將分子束外延法和準(zhǔn)分子激光技術(shù)結(jié)合起來，可以一層層地控制氧化物薄膜的形成過程。日本利用該技術(shù)已在Si上形成30層共90×1010m厚的極薄氧化柿膜，一層厚約3×1010m。目前，激光氣相沉積技術(shù)的研究和應(yīng)用正在蓬勃興起。十、激光表面處理過程中的殘余應(yīng)力激光表面處理可引起殘余應(yīng)力，但也可以降低或消除已產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力常是由未發(fā)生熔化的激光相變硬化誘導(dǎo)出來的，其特征為表面處理層上出現(xiàn)壓應(yīng)力，下方的加熱層出現(xiàn)拉應(yīng)力.通常后者較強而且十分危險，它可導(dǎo)致裂紋.以45鋼為例18，由激相變誘出的殘余應(yīng)力通常從壓應(yīng)力200MPa變化至260MPa，拉應(yīng)力從300MPa變化至8

26、50MPa19在中碳鋼中激光相變硬化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力比在合金鋼中的效果好.經(jīng)多次激光處理反復(fù)出現(xiàn)軟化和表面拉應(yīng)力的情況，是不理想的。對馬氏體鋼用Co基或Ni基粉末進行包層時所誘出的殘余應(yīng)力在包層中為拉應(yīng)力，基體中為壓應(yīng)力.在包層表面可出觀285MPa的高表面殘余拉應(yīng)力20。通常皆采用高頻加熱、電阻加熱、放熱式混合加熱等方法來降低殘余應(yīng)力。但是這些方法的作用過程都比較慢，所以現(xiàn)已采用高強烈度的激光加熱來降低殘余應(yīng)力。顯然，通過快速供熱和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可產(chǎn)生熱靜力學(xué)波，當(dāng)入射能量強度是足夠高能熔化金屬時，可有效消除表面應(yīng)力.熱彈性波可使動應(yīng)力松馳，當(dāng)在表面層出現(xiàn)時，也能導(dǎo)致應(yīng)力消除。第三章激光表面處理技術(shù)

27、、應(yīng)用及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀一、激光淬火應(yīng)用激光將金屬材料表面加熱到相變點以上,隨著材料自身冷卻,奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體,使材料表面硬化,同時硬化層內(nèi)殘留有相當(dāng)大的壓應(yīng)力,從而增加了表面的疲勞強度。利用這一特點對零件表面實施激光淬火,則可以大大提高材料的耐磨性和抗疲勞性能。最新研究成果表明,如果在工件承受壓力的情況下實施激光表面淬火,淬火后撤去外力,則可以進一步增大殘留的壓應(yīng)力,并可大幅度提高工件的抗壓和抗疲勞強度。由于激光表面淬火速度快,進入工件材料內(nèi)部的熱量少,由此帶來熱變形少(變形量為高頻淬火的1/ 31/ 10) 。因此,可以減少后道工序(矯正或磨制) 的工作量,降低工件的制造成本。此外該工藝

28、為自冷卻方式,無需淬火液,是一種清潔衛(wèi)生的熱處理方法;而且便于用同一激光加工系統(tǒng)實現(xiàn)符合加工。因此可直接將激光淬火供需安排在生產(chǎn)線上,以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。又由于該工藝為非接觸式,因此可用于窄小的溝槽和底面的表面淬火。激光淬火由于以上優(yōu)點而得到較為廣泛的應(yīng)用。發(fā)動機缸體表面淬火,可使缸體耐磨性提高3 倍以上;熱軋鋼板剪切機刃口淬火,與同等未處理的刃口相比壽命提高了一倍左右;而且激光表面淬火還應(yīng)用在機床導(dǎo)軌淬火、齒輪齒面淬火、發(fā)動機曲軸的曲頸和凸輪部位局部淬火以及各種工具刃口激光淬火。美國通用汽車公司自1974 年首次將CO2 激光器用于激光淬火以來,先后建立了17 條激光熱處理生產(chǎn)線,每日可處理零

29、件3 萬件。該公司對易磨損的汽車轉(zhuǎn)向器齒輪向內(nèi)表面用激光處理出五條耐磨帶,克服了磨損問題,且基本無變形。德國MAN B &W 公司對40/ 54 和L58/64 型船用柴油機氣缸套內(nèi)壁進行激光淬火;日本對45鋼、鉻鉬鋼、鑄鐵等材料的激光淬火;美國Coberent 公司用500 W 激光器對鑄鐵機床導(dǎo)軌進行淬火取得了較好的效果。我國也在積極進行激光淬火的研究和應(yīng)用實踐,天津渤海無線電廠采用美國820 型1. 5 kW橫流CO2 激光器對硅鋼片模具進行表面淬火,大大提高了耐磨性,使用壽命提高了10 倍。青島激光技工中心采用了HJ - 3 千瓦級橫流CO2 激光器,對柴油機氣缸孔進行表面淬火

30、后, 而取代了硼缸套, 耐磨效果優(yōu)良,配副性優(yōu)良,經(jīng)濟效益顯著。目前,在激光熱處理方向的研究,大多數(shù)進行溫度、相變的簡單計算,對相變后的相變組織分布、材料性能對溫度場的相互影響卻很少考慮。隨著計算機的發(fā)展及計算方法的不斷完善,激光熱處理理論正向預(yù)測淬火材料性能、硬化層深度的方向發(fā)展。實例應(yīng)用：激光淬火技術(shù)可對各種導(dǎo)軌、大型齒輪、軸頸、汽缸內(nèi)壁、模具、減振器、摩擦輪、軋輥、滾輪零件進行表面強化。適用材料為中、高碳鋼，鑄鐵。激光淬火的應(yīng)用實例：激光淬火強化的鑄鐵發(fā)動機汽缸移動圖冊，其硬度提高HB230提高到HB680，使用壽命提高23倍。 齒輪激光淬火技術(shù)齒輪是機械制造行業(yè)中應(yīng)用廣泛的零件.為了提

31、高齒輪的承載能力，需對齒輪進行表面硬化處理.而傳統(tǒng)的齒輪硬化處理工藝，如滲碳、氮化等表面化學(xué)處理和感應(yīng)表面淬火、火焰表面淬火等存在兩個主要問題：即熱處理后變形較大和不易獲得沿齒廓均勻分布的硬化層，從而影響齒輪的使用壽命二、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,是材料表面層熔化,然后依靠自身冷卻快速凝固。熔凝層中形成的鑄態(tài)組織非常細(xì)密,能使性能得到改善,可以增強材料表層的耐磨性和耐蝕性。激光表面熔凝技術(shù)基本上不受材料種類的限制,可獲得較深(可達23 mm 以上) 的高性能敷層,易實現(xiàn)局部處理,對基體的組織、性能尺寸影響很小,而且工藝操作方便。應(yīng)用激光表面熔凝技術(shù),在可鍛鑄鐵的摩托車

32、凸輪軸表面獲得了熔層厚0. 2 mm ,硬化層厚0. 7 mm ,寬3. 43. 6 mm ,表面硬度為895 HV 的耐磨性很高的熔凝層。對耐磨鑄鐵活塞環(huán)進行處理后,壽命提高一倍,且與氣缸的匹配效果良好。對珠光體+ 鐵素體基的鑄鐵梳棉機梳板進行處理后,明顯提高了耐磨性和抗崩裂性,且保持了低的表面粗糙度。國外對Al -8Fe (Al 含量為1 %) 合金進行激光熔凝硬化處理后的熔區(qū)枝晶進行微觀計算機模擬及測量,得出了枝晶細(xì)胞頭部半與凝固速度的關(guān)系式和凝固速度對枝晶分布的影響規(guī)律。利用晶體生長的最小過冷度判據(jù),對單晶合金激光重熔區(qū)組織的生長速度進行分析,建立了枝晶尖端生長速度與激光束掃描速度和固

33、液面前進速度的關(guān)系。根據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)激光熔池中枝晶組織生長方向強烈地受基材晶粒取向和激光束掃描方向的影響。三、激光表面合金化激光表面合金化是一種用激光將合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固,在表面獲得合金層的方法。這種方法既改變了材料表面的化學(xué)成分,又改變了表面的結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)?？墒沽畠r基材獲得良好的表面性能。激光表面合金化與其他傳統(tǒng)表面合金化的方法相比,敷層組織小,結(jié)構(gòu)致密,氣孔率低;激光能量密度高,無需工件作為電極傳導(dǎo),粉末材料和基體材料的使用面更廣;激光作用時間短,基體熔化量少,合金敷層稀釋率低,減少粉末材料的消耗量;熱影響區(qū)小,對基體組織的性能影響小,工件變形小;不需要特殊的工作條件,無環(huán)

34、境污染。該項技術(shù)廣泛應(yīng)用于在磨損、腐蝕、高溫氧化等工況條件下服役的工件表面強化,以及磨損件的修復(fù)。美國有兩家飛機制造企業(yè)采用了這種方法,對噴氣機渦輪葉片外緣涂覆了鈷基合金涂層。近年來日本的汽車制造業(yè)亦開始采用這種技術(shù),對汽車排氣閥實施激光涂覆鎢鉻鈷合金層。與傳統(tǒng)的乙炔涂覆法相比,激光表面合金化處理成本低,涂層壽命高。如果向熔融區(qū)提供活性氣體,還可以在工件表面形成堅硬的陶瓷涂層。例如在N2 中用CO2 激光加熱TI - 6Al - 4V ,則可以形成TiN 層,相互作用的時間愈長,TiN 密度愈高,深度愈深。形成了大量的硬質(zhì)耐磨相TiN ,大大提高了表面硬度,TiN 相呈胞狀及發(fā)達樹枝狀的特殊生

35、長形態(tài),被基體牢牢地鑲嵌住,在摩擦磨損過程中不易脫落,故這種快速凝固”原位”耐磨復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性能。利用XEM 和TEM 對改性層的微觀組織轉(zhuǎn)變進行了研究,激光氣相氮化改性層內(nèi)的顯微組織由、TiN 和TiAlN 組成,沿層深呈不均勻分布。四、激光表面熔敷采用激光加熱將預(yù)先涂敷在材料表面的涂層與基體表面一起熔化后迅速凝固,得到成分與涂層基本一致的熔敷層,這種方法稱為激光表面熔敷。激光表面熔敷與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,而激光表面熔敷是預(yù)敷層全部熔化而基層表面微熔,預(yù)敷層的成分基本不變,只是使基材結(jié)合處變得稀釋。激光表面熔敷輸入熱量少,

36、工件變形小,而且整體鑄造粗糙度有很大的改善,減少二次磨削工作量, 纖維組織更致密和極少偏析,表面平整光滑。激光熔敷從20 世紀(jì)70 年代提出到20 世紀(jì)80 年代獲得廣泛應(yīng)用,期間展開了在低碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、鋁合金以及特殊合金上激光熔敷鈷基、鎳基、鐵基、鈦、碳化物、氧化物等的研究工作。迄今為止,研究工作主要集中在激光熔敷工藝參數(shù),激光熔敷層的微觀組織結(jié)構(gòu)和相分析以及激光熔敷層的性能等等。目前激光熔敷技術(shù)進一步應(yīng)用面臨的主要問題是: 對激光熔敷過程裂紋的形成和行為缺乏深入的研究; 尚缺乏特別針對激光熔敷過程特性的熔敷材料; 激光熔敷過程的檢測和實施自動化控制。其中,裂紋問題尤為嚴(yán)重。對于碳化鎢

37、金屬陶瓷激光熔敷涂層的抗開裂性能而言,碳化鎢顆粒本身是一個薄弱環(huán)節(jié);不同碳化鎢含量下,熔敷層的宏觀裂紋數(shù)目隨著激光掃描速度的變化規(guī)律而不同 。NiCrSiB 合金對裂紋非常敏感,裂紋的形成是由于熔敷層中存在大量的多硬質(zhì)相以及硬質(zhì)相的不良分布,其高脆性難以承受熔敷過程產(chǎn)生的較大拉應(yīng)力所致。要解決激光熔敷層出現(xiàn)的裂紋問題,一方面要優(yōu)化粉末成分,提高粉末的強韌性;另一方面就是要設(shè)法降低熱應(yīng)力應(yīng)用,從工藝上降低熔敷過程的殘余拉應(yīng)力。在國外, 激光熔敷MoSi2 粉末,其硬度值達1 200 HV ,但是易于產(chǎn)生裂紋,可加適量ZrSi2 ,該物質(zhì)能與MoSi2 很好的相容,同時又不改變MoSi2 的特性

38、。五、激光沖擊硬化利用高能密度的激光脈沖照射金屬工件,因被照射金屬升華汽化而急速膨脹,產(chǎn)生沖擊波。在材料中,因應(yīng)力波的傳播而產(chǎn)生加工硬化作用。激光沖擊硬化技術(shù)能提高大部分金屬材料(尤其是鋁合金) 的強度、硬度和疲勞壽命。國外正在進行用激光沖擊波來改善飛機結(jié)構(gòu)中緊固件周圍疲勞性能的應(yīng)用研究。發(fā)現(xiàn)6. 5 mm 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。研究表明,激光表面質(zhì)量可用表面粗糙度與微凹溝這兩個指標(biāo)來表示,通過對表面粗糙度與凹溝進行直觀的觀察與分析,就可以判別激光沖擊硬化效果的好壞;同時可以通過優(yōu)化激光參數(shù)、優(yōu)化涂層與約束層、增加保護層及強化層來有效地

39、控制激光沖擊的強化效果。目前激光沖擊技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、軍工裝備等多方面領(lǐng)域，并起著舉足輕重的作用。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者和科研機構(gòu)就激光沖擊強化而言，主要就以下幾個方面進行研究：（一）激光沖擊強化的物理性研究：研究重點在于解析強化過程中的物理效應(yīng)、沖擊波與靶材內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互作用的機理和類型1，建立激光誘導(dǎo)爆轟波的理論模型并對其進行分析2。（二） 激光沖擊強化作用機理的研究：研究內(nèi)容主要是從表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力和微觀組織等角度對激光沖擊處理之所以能夠有效提升靶材的抗疲勞、耐腐蝕、抗摩擦磨損等性能進行規(guī)律分析、機制分析等相關(guān)研究1。（三）工程技術(shù)領(lǐng)用的應(yīng)用性研究：對激光加工系統(tǒng)進行

40、改進，工藝參數(shù)進行優(yōu)化，對沖擊區(qū)域性能的評測以及強化過程的在線研究進行合理的設(shè)置等等。中國激光沖擊強化研究雖然起步較晚，但近些年來發(fā)展迅速，并且已經(jīng)成功將該項技術(shù)應(yīng)用于軍事航空領(lǐng)域，擁有了多項自主知識產(chǎn)權(quán)，取得了大量的研究成果，為實現(xiàn)激光強化工業(yè)化的具體實施奠定了扎實的基礎(chǔ)。清華大學(xué)提出了利用激光沖擊處理來制備表面高性能納米涂層，并設(shè)計出了完備的加工工藝，此項技術(shù)的提出將激光沖擊和納米復(fù)合材料制備技術(shù)結(jié)合，為制備納米復(fù)合涂層打開了新的思路。1、 激光沖擊強化原理激光沖擊處理是使用GW/cm2級的高功率密度和ns級的短脈沖寬度的強激光輻照材料表面，利用激光與輻照金屬表面材料相互作用的響應(yīng)過程，進

41、而對材料表層進行性能優(yōu)化處理的一種表面處理處理技術(shù)。激光沖擊強化原理圖在激光處理過程中，由于激光輻照作用的影響，激光會透過約束層被金屬材料表面附著的能量吸收涂層吸收，因照射部位溫度在極短時間內(nèi)可以達到一個極高的值而氣化，氣化后形成蒸汽電離，若繼續(xù)吸收激光輻照的能量則形成了等離子體。當(dāng)能量迅速積累達到臨界值時，將會引起膨脹爆炸，激光持續(xù)作用形成的等離子體引起的爆轟波作用于金屬靶材表面，形成方向指向金屬的沖擊波。當(dāng)沖擊波作用所引起的壓力遠大于靶材本身所能承受的動態(tài)屈服強度時，沖擊波影響的區(qū)域就會發(fā)生超高應(yīng)變率作用下的塑性變形，伴隨著位錯密度的迅速增加，表層材料晶粒得到細(xì)化，并在金屬表層形成一定深度

42、的高幅值殘余壓應(yīng)力區(qū)域，同時還會出現(xiàn)相變、孿晶等結(jié)構(gòu)變化，從而使材料的抗疲勞性、耐磨性、抗斷裂性等機械性能得到改善。其基本原理如圖上圖所示。2、激光誘導(dǎo)的沖擊波當(dāng)激光輻照于金屬表面時，能量大于一定的臨界值后，靶材的表面層會在短時間內(nèi)快速吸收激光能量，高幅值的激光能量會造成表層產(chǎn)生熔融與氣化。在此過程中，因氣化作用生成的蒸汽粒子會對激光能量進一步吸收而造成自身能量的進一步累積，巨大的能量將使得蒸汽粒子發(fā)生電離現(xiàn)象，形成具有高溫高密度值的等離子體。等離子體在向四周擴散和膨脹過程中會形成具有極高壓力的沖擊波，這種沖擊波的壓力值大小會隨著激光能量強化的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的改變。根據(jù)激光能量的高低不同，沖擊

43、波類型可以分為燃燒波及爆轟波兩類。在整個激光沖擊處理過程中，激光功率密度可以達到GW/cm2時等離子體誘導(dǎo)形成沖擊波被定義為爆轟波型，爆轟波會以104m/s的速度向各方向傳播。爆轟波壓力隨著激光功率密度的增大而升高，同時與脈沖能量之間也呈正相關(guān)。一般由激光沖擊作用所生成的沖擊波類型有以下兩種方式，非約束型以及約束型。非約束模型中不包含約束層和吸收層，在沖擊過程中激光束會將直接接觸到靶材表面。這種類型的沖擊波形式中，約束層不會對等離子體產(chǎn)生約束作用，而會以一種開放式的形態(tài)向各個方向自由膨脹，能量分散且分布不均，造成的后果是誘導(dǎo)的沖擊波壓力值不高，且能量不集中，無法起到?jīng)_擊強化的作用。另一種約束型

44、是在靶材表面涂覆黑色涂層和透明的約束層，透明的約束層可以有效阻止等離子體的膨脹，使沖擊波可以完全作用于靶材表面，極大增強了沖擊波的沖擊效應(yīng)。激光沖擊作用于金屬靶材的表層時，會存在沖擊波與靶材之間的力作用，誘導(dǎo)形成殘余應(yīng)力場，這也即是說沖擊波是靶材表面沖擊作用區(qū)發(fā)生塑性變形的根本原因，激光沖擊的強化作用來源于力效應(yīng)，而不是激光能量本身的熱效應(yīng)。沖擊波在靶材內(nèi)傳播時，方向會沿著其沖擊方向產(chǎn)生單向的軸向壓應(yīng)力，位于沖擊波方向區(qū)域的靶材將會被壓縮，而與材料表面平行的面上的區(qū)域則會延長。激光沖擊強化技術(shù)是利用高應(yīng)變速率下產(chǎn)生的劇烈塑性變形對材料進行強化，而實際上是利用了沖擊波與靶材金屬之間的相互作用。激

45、光照射靶材金屬后會發(fā)生材料的升溫、熔融、層裂等現(xiàn)象，這是由于激光沖擊的熱效應(yīng)與力學(xué)效應(yīng)。而隨著激光參數(shù)的不同，激光作用于靶材，所產(chǎn)生的影響和作用機理也不完全相同。一般而言在激光功率密度達到103104W/cm2時，靶材表層出現(xiàn)緩慢加熱，在104106W/cm2時開始熔化，在106108W/cm2時出現(xiàn)部分氣化現(xiàn)象，在1091010W/cm2時出現(xiàn)激光等離子現(xiàn)象，形成等離子體。當(dāng)激光輻照到靶材表面時，除了一部分能量會被靶材吸收外，其余能量將會被材料反射或者直接逸散出去。激光與靶材之間的能量傳遞遵循能量守恒定律，也就是說激光入射的能量等于材料表面對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 靶材對激光的吸收除了與材料的種類和特性有關(guān)外，還與靶材針對激光波長的選擇性吸收率有關(guān)，此外材料對激光的吸收還受到外部環(huán)境，包括溫度、濕度、表面涂層和表面粗糙度等多種因素作用的影響。3、劇烈的塑性變形與晶粒細(xì)化機理金屬可以認(rèn)為是由大量的晶粒堆積而成，同時每個晶粒也都有著各自不同的取向性。相鄰晶粒間通過面面接觸連接在一起，這種接觸面稱之為晶界。晶界一般有著不同的取向，厚度在2個原子間距左右。通過相鄰晶粒的取向差和晶界面的方位可以定義晶界，當(dāng)15°時稱之為小角度晶界；當(dāng)15°時則稱之為大角度晶界。伴隨著激光沖擊過程，金屬會發(fā)生明顯的塑性變形，晶粒大小的

47、變化與金屬的組織結(jié)構(gòu)相關(guān)。晶粒細(xì)化的過程中，由于塑性變形會引起高密度位錯、孿晶等微觀形貌的變化，在晶粒內(nèi)部逐漸形成小角度的亞晶界，進一步演化后會發(fā)展成大角度晶界，大角度晶界會產(chǎn)生切割效應(yīng)，將整個晶粒形成具有取向性的細(xì)小晶粒，實現(xiàn)晶粒細(xì)化。大尺寸晶粒不斷地被轉(zhuǎn)變成數(shù)量眾多但更為細(xì)小的晶粒，晶粒的大小甚至可以達到納米級，成為納米晶。金屬塑性變形方式的因素包括材料的晶體結(jié)構(gòu)、層錯能以及相變化等。體心立方晶格(bcc)和面心立方晶格(fcc)金屬具有12個滑移系，而密排六方晶格(hcp)的金屬滑移系相對教少，對于高層錯能的立方結(jié)構(gòu)的金屬而言，塑性變形的機制主要是通過位錯變化實現(xiàn)；低層錯能和密排六方結(jié)構(gòu)

48、金屬，則通過機械孿生實現(xiàn)。下表所示為不同結(jié)構(gòu)金屬材料的層錯能和變形運動形式。下表是不同金屬材料的層錯能和變形形式材料FeAlCu316L不銹鋼304不銹鋼TiCo晶體點陣bccfccfccfccfcchcphcp層錯能mJ/m220016678402130027變形運動位錯運動位錯運動位錯運動機械孿生位錯運動機械孿生機械孿生位錯運動機械孿生位錯運動機械孿生對于GH2036高溫鐵基合金而言，體心立方晶格(bcc)具有較高的層錯能。當(dāng)載荷以高應(yīng)變率作用于材料表面時，位錯開始增殖，同時位錯密度提高。位錯交割將使粗大的晶粒得到一定的細(xì)化，這是塑性變形初期的表現(xiàn)；在變形程度逐漸增加之后，位錯會通過湮沒、

49、重組等形式轉(zhuǎn)變成小角度亞晶界，從而降低內(nèi)部畸變能；在塑性變形后期，小角度亞晶界會通過吸收相鄰位錯導(dǎo)致晶界滑移而成為大角度晶界；最終亞晶粒內(nèi)部形成的位錯胞和位錯纏結(jié)會分割晶粒完成晶粒細(xì)化；當(dāng)晶粒中的位錯增殖速率和湮沒速率基本保持一致時，系統(tǒng)內(nèi)能量趨于穩(wěn)定，晶粒細(xì)化過程結(jié)束。當(dāng)發(fā)生塑性變形后，材料的表層影響區(qū)會得到一定程度的強化，這種因塑性變形引起的的強化，其強化機制包括：細(xì)晶強化、位錯強化、晶界強化、孿晶強化，下圖所示為金屬合金常見強化機制的示意圖。(1) 位錯強化當(dāng)材料發(fā)生塑性變形時，位錯密度增加，位錯活性也隨之增加。當(dāng)位錯密度達到一定值時，位錯間相互作用形成位錯纏結(jié)等位錯結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會反過

50、來阻礙位錯的運動。若塑性變形持續(xù)增大，則會引起載荷的遞增，這在宏觀上會表現(xiàn)為金屬表面強度的提高。變形強化的本質(zhì)在于位錯密度的增加，實驗證明，位錯密度的增加和材料強度的提高呈正相關(guān)。(2) 晶界強化在晶界表面，金屬原子的排布并不規(guī)律，同時還存在晶格點陣畸變、位錯缺陷的衍生和發(fā)展。塑性變形時，晶界的存在會阻礙位錯運動，形成位錯的堆積，且這種阻礙作用會隨著晶界數(shù)目的增加而愈加明顯，因此晶界強化時，材料本身的變形抗力增加，因此強度得到提升；此外由于多晶體的晶粒間存在取向性的差異，當(dāng)某個晶粒發(fā)生滑移時，其他晶粒會阻礙其運動，因此滑移阻力的增加也從另一方面提升了材料的變形抗力；伴隨著晶界數(shù)目的增多，晶界的

51、排布也越復(fù)雜，裂紋在晶界上的傳播將會變的更為困難，表現(xiàn)較高的塑性和韌性。(3) 孿晶強化孿晶界由于其結(jié)構(gòu)特征屬于能態(tài)偏低的共格晶界，所以晶粒內(nèi)孿晶界的分布可以抑制位錯的運動，促使孿晶界上或交割界面處發(fā)生位錯的堆積和纏結(jié)，造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高材料的強度。孿晶片層的尺度越小，強化效果越明顯，實驗表明納米尺度時其強化效果遠遠大于微米尺度或者亞微米尺度的強化效果6。(4) 細(xì)晶強化晶粒尺寸越小，也意味著在單位體積內(nèi)晶界數(shù)量越多，而隨著晶界數(shù)目的增加晶粒內(nèi)部位錯運動將會受到阻礙，滑移帶會在晶界處堆積湮沒。多晶粒原子間存在不同的位向差，相互晶粒間可以通過滑移來協(xié)調(diào)變形。在滑移過程中還會伴隨著位錯切割，

52、提高金屬強度。此外，單位體積晶粒數(shù)目增多，相同的變形機制將會在更多晶粒中進行，避免了產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而使塑性變形效果更加均勻。在細(xì)晶過程中由于晶粒細(xì)化，晶界數(shù)目增多，裂紋便不易萌生和發(fā)展，在斷裂的過程中表現(xiàn)出強韌性。 金屬合金常見強化機制(a)固溶強化、第二相彌散強化(b)細(xì)晶強化(晶界強化)(c)位錯-孿晶強化4、 激光沖擊強化的影響因素在激光強化過程中，激光束會通過約束層后輻射在吸收層，在這個過程中伴隨著能量形態(tài)的轉(zhuǎn)變，從激光束的能量轉(zhuǎn)變成誘導(dǎo)材料發(fā)生塑性變形所需要的能量，并以此產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。因此，影響因素還包括：(1) 約束層 約束層除了可以阻止等離子體的不定向性膨脹，促使激光能量的

53、集中，還可以強化靶材與沖擊波之間的相互作用，也可以說，約束層的存在可以同時增加激光所誘導(dǎo)形成的沖擊波和脈寬大小。在選擇約束層時，除了要求激光束保持高的透射率和聲阻抗等特性外，還要考慮到激光可能會擊穿約束層直接作用于靶材表面，因此約束層的厚度也有著明確的適用范圍的規(guī)定。(2) 吸收層吸收層的作用一方面是提升靶材對激光能量的吸收率，另一方面可以保護靶材避免靶材與激光直接接觸造成燒蝕破壞。實驗表明，若靶材表層沒有附著吸收層，將無法形成靶材對于激光能量的高效吸收，造成等離子體因能量不足產(chǎn)生不定向的膨脹而遠離靶材表面，無法形成足夠的塑性變形。下表為不同條件下靶材表面殘余應(yīng)力。不同條件下的表面殘余應(yīng)力處理

54、方式無吸收涂層未處理55Cl6mm光斑水層6mm光斑黑漆6mm光斑水層+黑漆殘余應(yīng)力/MPa570MPa-220MPa-380MPa-430MPa-510MPa大量的研究表明，靶材表面附著吸收涂層在激光沖擊后可以形成較大的殘余應(yīng)力。但同時其厚度也是影響激光能量作用的關(guān)鍵因素，若吸收層厚度不足時，則會產(chǎn)生靶材表面的燒蝕；若吸收層過厚，則會影響沖擊波能量，造成作用于靶材表面的能量值過低，無法對靶材進行有效強化，因此吸收層需要選擇一個適當(dāng)厚度。(3) 激光工藝參數(shù) 在激光強化過程中所需要設(shè)定的激光參數(shù)包括功率密度Io、脈沖寬度、光斑的直徑大小d、光束能量E、搭接率、沖擊次數(shù)等等。激光功率密度的選擇是

55、根據(jù)不同材料所具備的物理力學(xué)特性，以及不同種類的吸收層對激光束所誘導(dǎo)的沖擊波壓力的衰減效果等綜合考慮的。激光脈沖寬度對于激光沖擊后的塑性影響區(qū)的范圍和強化效果都有著很大影響，材料塑性變形層的深度隨著激光束所誘導(dǎo)形成的沖擊波的脈寬的增大而增大，二者呈線性關(guān)系。在脈沖寬度值大時，沖擊效果相對脈寬小更好。但考慮到過大的脈沖寬度會造成靶材表面的熱破壞，脈沖寬度應(yīng)選取合理大小才能達到最理想的效果。六、氣相沉淀利用激光作為氣相沉淀的熱源,可在基體材料表面形成各種陶瓷層。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 等陶瓷層

56、。目前,這一領(lǐng)域中最熱門的是XeCl 激光化學(xué)氣相沉淀。它是用激光束取代傳統(tǒng)的熱能和等離子體, 氣相沉淀的線條寬度的分辨率可達0. 2m ,且為低溫處理工藝,因此可用于制造高質(zhì)量的精密設(shè)備。只是XeCl 激光的壽命及可靠性問題, 尚需要進一步尋求解決辦法。在國外, 正在研究利用激光脈沖在室溫進行B4C 無定形薄層沉淀,薄層厚500 nm;而且還進行了沉淀MoO3 薄層,研究的焦點是氧化物微粒壓力和沉淀溫度對化合物的結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)以及光學(xué)性能的影響,從而了解MoO3 薄層的生長機制21 第四章激光表面改進技術(shù)術(shù)存在問題和前景展望一、存在問題為了使激光表面處理技術(shù)獲得到更加廣泛的應(yīng)用,該技術(shù)還需要加強從以下幾個方向努力:1、 研制出新的激光器,將激光功率提高到20kW 或20 kW 以上,同時發(fā)展輔助設(shè)備,如光束成形和制導(dǎo)系統(tǒng),以滿足處理面積更大、形狀更復(fù)雜的工件的需要。2、 加強激光表面處理技術(shù)改性機理的研究,解決好溫度場測定不夠精確的問題,并從