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1、激光表面改性技术2011光信息科学与技术指导老师：鲁晶学生：肖冯俊树1.什么是激光表面改性技术？2.激光表面改性技术有哪些用途？3.激光表面改性的分类（简单介绍5种，激光熔覆、激光淬火、激光表面熔凝、激光表面强化、激光表面合金化）、特点及其各自的应用。4.激光表面改性的前景和存在问题。1.什么是激光表面改性技术？一般原理激光与材料表面相互作用过程一般原理激光表面改性技术是采用高功率密度的激光器，利用光学聚焦透镜将激光束聚焦，从而获得很高的激光功率密度和温度。以非接触的方式，照射到材料表面，使金属材料表面在瞬间（毫秒甚至微秒级）被加热或熔化后，借助于材料表面自身传导快速冷却。在激光束与材料表面相

2、互作用的过程中，通过热效应及化学反应等方式，改变材料表面的组织结构、物理性能、化学成分、应力状态等，从而改善材料表面性能（如耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等）的工艺方法。激光与材料表面相互作用过程激光与材料表面的相互作用按激光强度和辐射时间分为几个过程：1.吸收光能量2.能量传递3.冷却4.材料表层组织的改变（形成强化薄层）2.激光表面改性技术有哪些用途？（1）：提高材料表面的耐腐蚀性（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劳性（4）：改善和修复损坏的零部件总之：激光表面改性技术在改善和强化材料表面性能，提高材料的使用寿命方面具有突出的优越性。3.激光表面改性技

3、术的分类激光熔覆、激光淬火、激光表面熔凝、激光表面冲击强化、激光表面合金化（1）激光熔覆（亦称为激光包覆，或者激光）激光熔覆（亦称为激光包覆，或者激光熔敷）熔敷）a 原理原理：通过在基体材料（基材）表面添加一层熔覆材料，再利用高能密度的激光束对其表面辐射加热，使基材表面薄层和熔覆材料发生熔化，由于材料自身热传导作用，被辐射后的材料表面迅速冷却温度降低，并快速凝固形成一层与其为冶金结合的填料熔覆层。b 方法：方法：一步法（同步送料法）和预置法（P5 P6）c 优点：优点：涂层与基材集合好，熔覆组织致密。降低材料成本，降低能源消耗，节约贵重稀有金属。d 用途：用途：材料表面改善和修复材料表面改善和

4、修复（2）激光淬火（激光相变硬化）激光淬火（激光相变硬化）a 原理：原理：利用聚焦后的激光束，扫描材料表面，使材料表面温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料快速导热作用使受热表层快速冷却到马氏相变点以下获得淬硬层，进而实现材料表面的相变硬化。b 优点：优点：不需要淬火介质，加热速度快。淬火后工件变形小，适合高精度要求的零件表面处理。c 用途：用途：增加材料表面抗疲劳强度抗疲劳强度（3）激光表面熔凝（激光熔化淬火）激光表面熔凝（激光熔化淬火）a 原理：原理：指激光束照射到材料表面，使其表面薄层熔化，在移开激光光束后，熔化的表层材料迅速凝固，组织得以细化，成分偏析减少，缺

5、陷率降低，凝固组织中呈现较高的压应力状态，获得较为细化均质的组织，从而改善和强化材料表面。b 优点：优点：一般不添加合金元素。熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。在熔凝过程中，可以排除杂质和气体。同时极冷重结晶获得的组织具有较高的硬度、耐磨性、抗蚀性c 用途：用途：提高材料硬度硬度，耐磨性耐磨性和抗腐蚀性抗腐蚀性（4）激光冲击强化）激光冲击强化a 原理：原理：指利用高能量密度、短脉冲激光扫描材料表面，由于材料吸热后升华气化而急速膨胀甚至等离子体化，并引起爆炸波以及在表面产生冲击波，从而使材料表面强化的技术。在激光与材料相互作用的过程中，由于高压冲击应力波的产生，使材料表面产生塑性变形，形成大量的

6、高密度位错和残余压力，从而可大幅度提高材料表面的硬度和抗疲劳性。b 优点：优点：可在空气中进行，对基体材料不产生畸变。可冲击强化精加工工件的曲面（如齿轮、轴承等）c 用途：用途：提高材料抗疲劳寿命抗疲劳寿命（5）激光表面合金化激光表面合金化a 原理：原理：利用高能密度的大功率激光束将基底材料局部区域表面加热到一定固态温度或形成一层薄的熔区，通过扩散或添加合金元素或化学反应，改变表面化学成分以改善材料表面的性能。b 优点：优点：可利用气体或液体材料作为合金元素合金化层组织小，结构致密，气孔率低无需以工件作为电极传导，粉末材料和基体材料使用面广 热影响区小，工件变形小c 用途：用途：常用于在磨损、

7、腐蚀、高温氧化等工作条件下的工件表面强化表面强化，以及修复磨损件修复磨损件。4.激光表面改性的前景和存在问题（1）存在问题）存在问题 激光功率不够大，且辅助设备待研发和提高。处理面积小，对于大面积、形状复杂的工件难以实现高效率加工。激光表面处理技术改性机理还不完善，温度场的测定还不够精确，激光表面处理加工过程中的热应力、热应变和加工后的残留应力问题没有很好理论解释。激光表面处理工艺参数、材料性能 以及表面状况（如吸光率）等处理后表层性能的影响研究不完善。设备昂贵，一次性投入高。（2）前景）前景 利用激光表面处理技术，在一些表面性能差和价格便宜的基体金属表面获得合金层，用以取代昂贵的整体合金，节

8、约贵金属和材料，使廉价材料获得应用，从而大幅度降低成本。可以用来研制新材料和代用材料，制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，应用在太空、高温和化学腐蚀环境条件下的机械零件上。为了得到综合效果更好的表面层，复合表面改性技术将是激光表面改性的一个重要方向。随着激光器、机器人和自动控制技术的发展，激光表面改性将向着大功率，自动化、智能化方向迈进。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。激光表面处理技术无污染特点，对环保几乎没有负面效应，明显的性能优势将使激光表面改性技术呈现出具有广阔的应用和发展前景。致谢致谢?本论文是在鲁晶老师的指导下完成的。在整个论文的撰写，修改最后定稿的过程中，鲁晶老师都在鼓励支持我，鲁老师严谨的治学态度、优秀的专业素养和敬岗爱业的精神都使我受益匪浅，在此我要由衷的感谢鲁老师在我论文写作期间给予的帮助与理解。谢谢观看！