1、表面改性技术教师：强颖怀教师：强颖怀学院：材料学院学院：材料学院6.1 激光束表面处理技术最引人注目的技术之一最引人注目的技术之一成功地走向工业化生产应用成功地走向工业化生产应用传统的表面处理技术相竞争传统的表面处理技术相竞争提高制品的性能和寿命提高制品的性能和寿命获得极大的社会效益和经济效益获得极大的社会效益和经济效益6.1 激光束表面处理技术相位一致相位一致方向性好方向性好波长单一波长单一优越的聚光性优越的聚光性可以获得很高的能量密度可以获得很高的能量密度高能束表面改性技术中的一种主要手段高能束表面改性技术中的一种主要手段6.1 激光束表面处理技术激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性
2、的一激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。种表面处理技术。激光照射到材料表面激光照射到材料表面表层材料受热升温表层材料受热升温激光作用后冷却激光作用后冷却激光被吸收变为热能激光被吸收变为热能固态相变固态相变/熔化熔化/蒸发蒸发加热速度快：加热速度快：105-109/S自冷速度高：自冷速度高：104/S输入功率小，工件变形小输入功率小，工件变形小可局部加热可局部加热精确控制：线加工精确控制：线加工自动化自动化但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积6.1 激光束表面处理技术激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的激光与材料
3、：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。带间跃迁实现。波长越短，吸收率高波长越短，吸收率高越粗糙，越易吸收越粗糙，越易吸收温度升高、吸收越多：熔点温度升高、吸收越多：熔点40-50%，沸点，沸点90%杂质影响吸收杂质影响吸收黑化处理：碳素黑化处理：碳素/磷化磷化/油漆油漆6.1 激光束表面处理技术激光相变激光相变激光电镀：阴极加热激光电镀：阴极加热激光物理气相沉积激光物理气相沉积激光化学气相沉积激光化学气相沉积6.1 激光束表面处理技术激光熔融激光熔融激光表面冲击激光表面冲击1.激光相变硬化：激光相变硬化：在固态下经受激光辐照，其表层被迅在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体
4、温度以上，并在激光停止辐射后快速淬速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。火得到马氏体组织的一种工艺。加热和冷却速度高：加热和冷却速度高：105109/S高硬度：比常规淬火提高高硬度：比常规淬火提高15%20%变形小：加热层薄变形小：加热层薄疲劳强度高疲劳强度高6.1.2 激光表面处理工艺 由于激光加热速率极快，相变在很大的过由于激光加热速率极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。热度下进行，形核率很大。因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。冷却速率
5、也比使用任何淬火剂都快，因而易冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。得到隐针或细针马氏体组织。6.1.2 激光表面处理工艺 低碳钢低碳钢可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体。中碳钢中碳钢可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬度度HV达达800，比一般淬火硬度高出，比一般淬火硬度高出100以上；第以上；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层是隐针马氏体加网状屈
6、氏体，再加少量铁素三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。6.1.2 激光表面处理工艺 高碳钢高碳钢也可分为两层：外层是隐针马氏体；也可分为两层：外层是隐针马氏体；内层是隐针马氏体加未溶碳化物。内层是隐针马氏体加未溶碳化物。铸铁铸铁大致可分为三层：表层是熔化凝固所大致可分为三层：表层是熔化凝固所得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏磷共晶组织；第三层是较
7、低温度下形成的马氏体。体。6.1.2 激光表面处理工艺 美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。-直升飞机辅助动力装置的行星齿轮直升飞机辅助动力装置的行星齿轮 -飞机主传动装置的传动齿轮飞机主传动装置的传动齿轮 用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。-采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比氮化处理快氮化处理快14倍，且所得到的硬化层比经过倍，且所得到
8、的硬化层比经过1020h氮化处理的硬化层还厚，质量优氮化处理的硬化层还厚，质量优良，几乎无变形。良，几乎无变形。6.1.2 激光表面处理工艺应用实例应用实例内燃机活塞环激光相变硬化内燃机活塞环激光相变硬化 活塞环是内燃机易损基础件之一。为提高活塞环是内燃机易损基础件之一。为提高活 塞 环 耐 磨 性 延 长 其 使 用 寿 命，对 由活 塞 环 耐 磨 性 延 长 其 使 用 寿 命，对 由42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光钢制备的活塞环沟内侧进行了激光相变硬化处理。相变硬化处理。工艺：工艺：激光输出功率激光输出功率1.65kw，扫描速度，扫描速度22mm/s，光斑直径，光斑直径3mm
9、。6.1.2 激光表面处理工艺应用实例应用实例 内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化 效果：效果：激光硬化区主要是由细长板条马氏激光硬化区主要是由细长板条马氏体和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位体和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为713HV0.1；硬化层深为；硬化层深为0.5mm；激光硬化；激光硬化表面光洁度基本保持不变，变形量满足形位表面光洁度基本保持不变，变形量满足形位公差要求。公差要求。6.1.2 激光表面处理工艺应用实例
10、应用实例螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化 螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变硬化技术对轴颈进行强化处理。硬化技术对轴颈进行强化处理。6.1.2 激光表面处理工艺螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化 工艺：工艺：激光输出功率激光输出功率1.1kw，扫描速度，扫描速度17mm/s，光斑直径，光斑直径4mm。效果：效果：激光硬化区主要是由针状马氏体、激光硬化区主
11、要是由针状马氏体、奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬度达度达HRC60以上；硬化区层深为以上；硬化区层深为1mm；使；使用寿命提高用寿命提高3倍。倍。6.1.2 激光表面处理工艺编号零件名称材 料优点或效果1锭杆GCr15硬化区深0.94mm，峰值硬度980HV0.1,相对耐磨性提高10倍2成形刀高速钢刀具耐用度提高2.53.5倍，切削速度提高78倍3气缸套铸铁比硼缸套寿命高25，与活塞环配制寿命提高304精密仪器V型导轨45钢较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品率高6.1.2 激光表面处理工艺2.激光表面熔凝处理：激光表面熔凝处理：利用能量密度很高
12、的激光束在金利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术。构的一种表面改性技术。细化铸造晶粒细化铸造晶粒过饱和固溶体过饱和固溶体减少偏析减少偏析非晶体非晶体改变表层结构改变表层结构6.1.2 激光表面处理工艺激光熔化淬火处理后的激光熔化淬火处理后的ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的及的晶粒尺寸仅为原来的1/1
13、0，硬度可提高，硬度可提高30%左右。左右。AA390铝合金，处理前合金组织中镶有铝合金，处理前合金组织中镶有60m大的大的Si颗颗粒，处理后硅的颗粒变为粒，处理后硅的颗粒变为14m。铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松，铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松，用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时把表面层细化。来，同时把表面层细化。6.1.2 激光表面处理工艺 为了提高灰铸铁及球墨铸铁的耐磨性，采为了提高灰铸铁及球墨铸铁的耐磨性，采用激光加热表面熔化结晶处理使其表面白用激光加热表面熔化结晶处理使其表面白口化，
14、可显著提高耐磨性，这种处理方法在口化，可显著提高耐磨性，这种处理方法在生产上使用较多。如采用二氧化碳激光器对生产上使用较多。如采用二氧化碳激光器对铬钼合金铸铁活塞环进行熔化一结晶处理，铬钼合金铸铁活塞环进行熔化一结晶处理，可获得由细小碳化物与隐晶马氏体所组成的可获得由细小碳化物与隐晶马氏体所组成的极细莱氏体。莱氏体的硬化层深度为极细莱氏体。莱氏体的硬化层深度为0.100.20mm，硬度为，硬度为10002000HV。6.1.2 激光表面处理工艺 通过快磨试验、汽车台架试验与装车通过快磨试验、汽车台架试验与装车考核试验证明，活塞环的磨损量减少，考核试验证明，活塞环的磨损量减少，使用寿命提高。使用
15、寿命提高。采用激光加热表面熔化采用激光加热表面熔化-结晶处理灰结晶处理灰铸铁，在白口区硬度达到铸铁，在白口区硬度达到10701210HV。美国阿尔科公司利用这种方。美国阿尔科公司利用这种方法处理灰铸铁的凸轮轴等零件，表面形法处理灰铸铁的凸轮轴等零件，表面形成莱氏体组织，硬度为成莱氏体组织，硬度为5254HRC。6.1.2 激光表面处理工艺 与表面淬火相比，显著地提高了耐磨性和与表面淬火相比，显著地提高了耐磨性和抗蚀性，缩短了热处理时间，保证了产品质抗蚀性，缩短了热处理时间，保证了产品质量。印刷邮票用的辊式打孔器，辊外径为量。印刷邮票用的辊式打孔器，辊外径为 365mm，长，长 645mm，壁厚
16、，壁厚9.7mm；辊筒材；辊筒材料为料为50钢。辊面上需使用程控钻床打出钢。辊面上需使用程控钻床打出2.5万万个个0.98mm的孔。过去因打孔器技术没过关的孔。过去因打孔器技术没过关，以致不能满足需要。我国现已采用激光处，以致不能满足需要。我国现已采用激光处理的办法使孔刃部达理的办法使孔刃部达60HRC以上，攻克了这以上，攻克了这一难题。一难题。6.1.2 激光表面处理工艺非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗磨损性能。磨损性能。激光扫描处理激光扫描处理FePSi合金得到的非晶态硬化层的硬合金得到的非晶态硬化层的硬度是基体硬度的度是基体
17、硬度的56倍。倍。航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少50%。6.1.2 激光表面处理工艺 激光非晶化就是用激光的手段在金属表面激光非晶化就是用激光的手段在金属表面上制得非晶层的技术，有有时称之为激光上上制得非晶层的技术，有有时称之为激光上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。采用激光扫描处理采用激光扫描处理FePSi合金得到的合金得到的非晶态硬化层的硬度为非晶态硬化层的硬度为13001500HV，是，是基体硬度的基体硬度的56倍。目前国内外对激光非晶倍。目前国内外对激光非晶态处理给予极大的关注，认为
18、它是制作非晶态处理给予极大的关注，认为它是制作非晶态合金的一种很有前途的技术。态合金的一种很有前途的技术。6.1.2 激光表面处理工艺 激光非晶体的应用正在开发中。美国工激光非晶体的应用正在开发中。美国工艺研究中心采用此工艺在航空发动机涡轮艺研究中心采用此工艺在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少盘表面形成一非晶态层，使其重量减少50%。该工艺已应用于生产。该工艺已应用于生产F15型战斗机型战斗机用的用的F100型发动机上。型发动机上。6.1.2 激光表面处理工艺3.激光表面合金化：激光表面合金化：利用激光束使合金涂层与基体金属利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化，在很短的时
19、间内，形成不同化学成分和表面混合熔化，在很短的时间内，形成不同化学成分和结构的表面合金。可获得理想合金或亚稳态合金。结构的表面合金。可获得理想合金或亚稳态合金。区域合金化区域合金化有效利用能量有效利用能量精确控制密度和深度精确控制密度和深度不规则零件合金不规则零件合金6.1.2 激光表面处理工艺 激光合金化是表面改性处理的新方法，特别适用于工激光合金化是表面改性处理的新方法，特别适用于工件的重要部位的处理，这样既改善了工件的使用寿命，件的重要部位的处理，这样既改善了工件的使用寿命，又可简化工艺和节约昂贵的整体合金。激光表面合金化又可简化工艺和节约昂贵的整体合金。激光表面合金化的基本目的也是为了
20、提高表面的耐磨、耐蚀性等性能。的基本目的也是为了提高表面的耐磨、耐蚀性等性能。（1）铁基系）铁基系 在某些情况下，钢中加入在某些情况下，钢中加入Cr，Ni，Mo等贵重等贵重元素不是为了提高整体强度，而是为了防止环境元素不是为了提高整体强度，而是为了防止环境对表面的损伤，此时采用表面合金化可使成本大对表面的损伤，此时采用表面合金化可使成本大大降低。例如，用大降低。例如，用70%Cr30%Ni的金属粉末对的金属粉末对一般碳钢进行激光表面合金化，表面可获得一般碳钢进行激光表面合金化，表面可获得29%Cr-13%Ni的合金，该合金在的合金，该合金在1mol/L H2SO4中的极化曲线与中的极化曲线与1
21、8-8不锈钢的极化曲线相似，有不锈钢的极化曲线相似，有几乎一样的钝化能力，即具有相同的耐蚀性。几乎一样的钝化能力，即具有相同的耐蚀性。6.1.2 激光表面处理工艺（2）有色金属系）有色金属系 在铝合金中加入合金元素的激光表面合在铝合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究。例如以金化有大量的研究。例如以Si合金化可达合金化可达到的硬度是到的硬度是200HV，以，以Cu合金化可达合金化可达300HV，以，以Fe合金化可达合金化可达300500HV，6.1.2 激光表面处理工艺（3）金属硅化物）金属硅化物 激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属
22、触点。面的金属触点。1978年年 Poate等人用双频激光辐等人用双频激光辐照，把照，把Pt，Pd和和Ni膜合金化到膜合金化到Si中，试样表面被中，试样表面被熔化并在横向产生非常均匀的合金层，其平均成熔化并在横向产生非常均匀的合金层，其平均成分可通过改变膜厚和激光功率在一定的范围内变分可通过改变膜厚和激光功率在一定的范围内变化。用连续波激光加热固体有可能形成单相硅化化。用连续波激光加热固体有可能形成单相硅化物。物。6.1.2 激光表面处理工艺4.激光表面熔覆：激光表面熔覆：在金属基体表面上预涂一层金属、合在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，使添加层熔化并使金或陶瓷粉
23、末，在进行激光重熔时，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。6.1.2 激光表面处理工艺 与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，可获得具有原来特性和功能的强化层。可获得具有原来特性和功能的强化层。激光表面熔覆于激光表面熔覆于1981年被成功地应用于大型喷年被成功地应用于大型喷气客机涡轮叶片发动机的高压透平叶片护罩后，气客机涡轮叶片发动机的高压透平叶片护罩后，引起了重视，目前已经成为国内外激光表面改性引起了重视，目
24、前已经成为国内外激光表面改性研究的热点。研究的热点。6.1.2 激光表面处理工艺 1激光包覆激光包覆 激光包覆工艺是继激光淬火之后，第二激光包覆工艺是继激光淬火之后，第二个在工业中获得应用的一种激光表面改性个在工业中获得应用的一种激光表面改性技术。激光包覆适用于易磨损、腐蚀和受技术。激光包覆适用于易磨损、腐蚀和受冲击的零件，无论是在包覆展质量还是在冲击的零件，无论是在包覆展质量还是在工艺性和经济性方面均优于传统的堆焊和工艺性和经济性方面均优于传统的堆焊和热喷涂工艺，其工业应用前景广阔。热喷涂工艺，其工业应用前景广阔。6.1.2 激光表面处理工艺 1激光包覆激光包覆 激光包覆是选择硬度高、耐磨、
25、耐蚀和激光包覆是选择硬度高、耐磨、耐蚀和抗疲劳性能好的材料包覆工件表面，然后抗疲劳性能好的材料包覆工件表面，然后用大功率激光束扫描，将包覆材料熔化到用大功率激光束扫描，将包覆材料熔化到基体表面，形成包覆层。激光包覆具有粘基体表面，形成包覆层。激光包覆具有粘结牢靠，包覆层厚度容易控制，操作简单结牢靠，包覆层厚度容易控制，操作简单和加工周期短等优点。和加工周期短等优点。6.1.2 激光表面处理工艺 1激光包覆激光包覆 英国已采用计算机控制的激光包覆工艺英国已采用计算机控制的激光包覆工艺取代手工氩弧堆焊工艺，在发动机涡轮叶取代手工氩弧堆焊工艺，在发动机涡轮叶片上包覆钴基合金，可得到无气孔、无裂片上包
26、覆钴基合金，可得到无气孔、无裂纹的高性能包覆层，工效提高纹的高性能包覆层，工效提高11倍，成本倍，成本降低降低80%，钴基合金的消耗量减少，钴基合金的消耗量减少50%。另外，在制造电接触器时，用激光包覆工另外，在制造电接触器时，用激光包覆工艺取代化学涂覆工艺，在铜基体上包覆银艺取代化学涂覆工艺，在铜基体上包覆银层，可大大提高生产率和降低成本消耗。层，可大大提高生产率和降低成本消耗。6.1.2 激光表面处理工艺 2陶瓷层激光涂覆陶瓷层激光涂覆 火焰喷涂和等离子喷涂等热喷涂的方法广泛用火焰喷涂和等离子喷涂等热喷涂的方法广泛用来进行陶瓷涂覆。但所有这些方法都不能令人满来进行陶瓷涂覆。但所有这些方法都
27、不能令人满意。因为它们获得的涂层含有过多的气孔、熔渣意。因为它们获得的涂层含有过多的气孔、熔渣夹杂和微观裂纹，而且涂层结合强度低，易脱落夹杂和微观裂纹，而且涂层结合强度低，易脱落。这会导致高温时由于内部硫化、剥落、机械应。这会导致高温时由于内部硫化、剥落、机械应变降低、坑蚀、渗盐和渗氧而使涂层早期变质和变降低、坑蚀、渗盐和渗氧而使涂层早期变质和破坏。使用激光进行陶瓷涂覆，即可避免产生上破坏。使用激光进行陶瓷涂覆，即可避免产生上述缺陷，提高涂层质量，延长使用寿命。述缺陷，提高涂层质量，延长使用寿命。6.1.2 激光表面处理工艺应用实例：应用实例：宽带激光熔覆宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层复合涂层
28、1、熔覆材料体系：基材为、熔覆材料体系：基材为38CrMoAl，涂，涂层材料为层材料为Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉复合熔覆粉末。末。2、工艺：激光输出功率为、工艺：激光输出功率为2.2kw，扫描速，扫描速度为度为3mm/min，送粉率为，送粉率为9g/min，光斑尺，光斑尺寸为寸为15mm1.5mm。6.1.2 激光表面处理工艺应用实例：应用实例：宽带激光熔覆宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层复合涂层1、熔覆材料体系：基材为、熔覆材料体系：基材为38CrMoAl，涂，涂层材料为层材料为Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉复合熔覆粉末。末。2、工艺：激光输出功率为、工艺：激光输出功率
29、为2.2kw，扫描速，扫描速度为度为3mm/min，送粉率为，送粉率为9g/min，光斑尺，光斑尺寸为寸为15mm1.5mm。6.1.2 激光表面处理工艺应用实例：应用实例：宽带激光熔覆宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层复合涂层3、效果：复合涂层熔覆区主要是由、效果：复合涂层熔覆区主要是由g-Ni、WC、W2C、M23C6及及M7C3 所组成；涂层所组成；涂层厚度为厚度为1mm；稀释度为；稀释度为7%；涂层合金最高；涂层合金最高硬度为硬度为900HV0.1。4、应用范围：、应用范围：a)轴件修复；轴件修复；b)新产品，以提高使新产品，以提高使用寿命。用寿命。6.1.2 激光表面处理工艺3有色金属激
30、光涂履有色金属激光涂履 激光表面涂覆可以从根本上改善工件的表面激光表面涂覆可以从根本上改善工件的表面性能，很少受基体材料的限制。这对于表面耐性能，很少受基体材料的限制。这对于表面耐磨、耐蚀和抗疲劳性都很差的铝合金来说尤为磨、耐蚀和抗疲劳性都很差的铝合金来说尤为重要。但是，有色金属特别是铝合金表面实现重要。但是，有色金属特别是铝合金表面实现激光涂覆比钢铁材料困难得多。铝合金与涂覆激光涂覆比钢铁材料困难得多。铝合金与涂覆材料的熔点相差很大，而且铝合金表面存在高材料的熔点相差很大，而且铝合金表面存在高熔点、高表面张力、高致密度的熔点、高表面张力、高致密度的Al2O3氧化膜，氧化膜，所以，涂层易脱落、
31、开裂、产生气孔或与铝合所以，涂层易脱落、开裂、产生气孔或与铝合金混合生成新合金，难以获得合格的涂层。金混合生成新合金，难以获得合格的涂层。6.1.2 激光表面处理工艺3有色金属激光涂履有色金属激光涂履 研究表明，避免涂层开裂的简单方法是工件研究表明，避免涂层开裂的简单方法是工件预热。一般铝合金预热温度为预热。一般铝合金预热温度为300500；钛合金预热温度为钛合金预热温度为400700。国内对。国内对ZL101铝合金发动机缸体内壁进行激光涂覆硅铝合金发动机缸体内壁进行激光涂覆硅粉和粉和MoS2，获得，获得 0.1mm0.2mm的硬化层，的硬化层，其硬度可达基体的其硬度可达基体的3.5倍。铝合金
32、的激光熔覆倍。铝合金的激光熔覆已在国外获得应用。已在国外获得应用。6.1.2 激光表面处理工艺5.激光表面冲击硬化：激光表面冲击硬化：以以 高功率密度的脉冲激光在极高功率密度的脉冲激光在极短的时间内照射金属表面，使表面金属剧烈气化，产生短的时间内照射金属表面，使表面金属剧烈气化，产生了强的机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。了强的机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。6.1.2 激光表面处理工艺 激光冲击硬化是正在开发的一种材料表面改性技术激光冲击硬化是正在开发的一种材料表面改性技术，它不仅可以大大提高材料的强度和硬度，而且能有，它不仅可以大大提高材料的强度和硬度，而且能有效提高钢、铝、钛等合金
33、的抗疲劳性能。效提高钢、铝、钛等合金的抗疲劳性能。由于冲击波持续的时间短，因而产生的变形很小，由于冲击波持续的时间短，因而产生的变形很小，适于处理成品零件。如果用激光冲击硬化处理齿轮和适于处理成品零件。如果用激光冲击硬化处理齿轮和轴承等精加工的工作面，就可以阻止处理部位裂纹的轴承等精加工的工作面，就可以阻止处理部位裂纹的扩展。扩展。因此，激光冲击硬化对提高材料的安全性、可靠性因此，激光冲击硬化对提高材料的安全性、可靠性和使用寿命具有重要意义。和使用寿命具有重要意义。各种材料经过激光表面改性处理以后，可以得到硬各种材料经过激光表面改性处理以后，可以得到硬度很高、晶粒和组织很细的强化层，它与基体的
34、结合度很高、晶粒和组织很细的强化层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。属于紧密的冶金结合。虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。并不表现出脆性，具有优良的性能。6.1.2 激光表面处理工艺 用激光冲击波对飞机结构中的紧固件进行用激光冲击波对飞机结构中的紧固件进行处理，其紧固件的高频疲劳寿命，处理后比处理，其紧固件的高频疲劳寿命，处理后比处理前要延长处理前要延长100倍，这对提高飞机的性能起倍，这对提高飞机的性能起着决定性的作用。另外，用激光照射铝合金着决定性的作用。另外，用激光照射铝合金表面，由于冲击硬化，铝合金
35、构件的疲劳寿表面，由于冲击硬化，铝合金构件的疲劳寿命和焊缝强度得到显著改善。命和焊缝强度得到显著改善。6.1.2 激光表面处理工艺 各种材料经过激光表面改性处理以后，可各种材料经过激光表面改性处理以后，可以得到硬度很高、晶粒和组织很细的强化以得到硬度很高、晶粒和组织很细的强化层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。激光表面改性对性能的影响激光表面改性对性能的影响一、力学性能一、力学性能1硬度硬度比感应热处理的
36、硬度略高比感应热处理的硬度略高T12钢：钢：1050HVT8钢：钢：980HV45钢：钢：780HV，W19Cr4V高速钢：高速钢：10001100HV。原因：马氏体产生变形，马氏体的细化、残原因：马氏体产生变形，马氏体的细化、残余奥氏体的数量减少和存在碳化物等因素有余奥氏体的数量减少和存在碳化物等因素有关。关。激光表面改性对性能的影响激光表面改性对性能的影响2疲劳性能疲劳性能 对对15MnVN，25CrMnSi等低含碳量的钢进等低含碳量的钢进行激光相变强化，疲劳寿命有较大幅度的提行激光相变强化，疲劳寿命有较大幅度的提高。高。3耐磨性能耐磨性能 利用各种激光表面强化方法对钢进行强利用各种激光表
37、面强化方法对钢进行强化，提高耐磨性能的效果是很显著的。化，提高耐磨性能的效果是很显著的。灰口铸铁、球墨铸铁等材料，经过激光表灰口铸铁、球墨铸铁等材料，经过激光表面强化以后，提高耐磨性的效果也是显著面强化以后，提高耐磨性的效果也是显著的。的。激光表面改性对性能的影响激光表面改性对性能的影响二、残余应力二、残余应力 对钢进行激光表面强化以后，能够造成表对钢进行激光表面强化以后，能够造成表面残余压应力，到一定深度后，残余应力的面残余压应力，到一定深度后，残余应力的性质转变为拉应力。例如，对性质转变为拉应力。例如，对42CrMo钢用钢用152W激光互搭扫描后，表面残余压应力可达激光互搭扫描后，表面残余
38、压应力可达19.668.6MPa，到，到0.1mm深度后转变为残余深度后转变为残余拉应力，达到拉应力，达到176.5323.6MPa左右。表面残左右。表面残余压应力的存在，有利于提高钢的疲劳强余压应力的存在，有利于提高钢的疲劳强度，推迟钢铁零件在工作过程中裂纹的萌生度，推迟钢铁零件在工作过程中裂纹的萌生和发展。和发展。激光表面改性对性能的影响激光表面改性对性能的影响激光电镀：激光可以提高金属的沉积速度，同等面积可激光电镀：激光可以提高金属的沉积速度，同等面积可使金属的电沉积速度提高三个数量级以上。使金属的电沉积速度提高三个数量级以上。温度升高，搅拌温度升高，搅拌作用！作用！6.1.2 激光表面
39、处理工艺激光气相沉积激光气相沉积 激光气相沉积是以激光束作为热源在金激光气相沉积是以激光束作为热源在金属表面形成金属膜，通过控制激光的工艺属表面形成金属膜，通过控制激光的工艺参数可精确控制膜的形成。目前已用这种参数可精确控制膜的形成。目前已用这种方法进行了形成镍、铝、铬等金属膜的试方法进行了形成镍、铝、铬等金属膜的试验，所形成的膜非常洁净。用激光气相沉验，所形成的膜非常洁净。用激光气相沉积可以在低级材料上涂覆与基体完全不同积可以在低级材料上涂覆与基体完全不同的具有各种功能的金属或陶瓷，这种方法的具有各种功能的金属或陶瓷，这种方法节省资源效果明显，受到人们的关注。节省资源效果明显，受到人们的关注
40、。6.1.2 激光表面处理工艺激光化学气相沉积激光化学气相沉积是将激光照射至是将激光照射至TiCl4H2CO2，或，或TiCl4CH4的混合气体中，由于的混合气体中，由于激光的热分解作用，在基体上沉积出激光的热分解作用，在基体上沉积出TiO2或或TiC膜层。激光化学气相沉积法是半导体产业膜层。激光化学气相沉积法是半导体产业的一种新型激光技术，采取此法可进行的一种新型激光技术，采取此法可进行空间选空间选择的光辐射，在照射区成膜择的光辐射，在照射区成膜，只需一道工序就，只需一道工序就可同时进行成可同时进行成膜和图案的制作膜和图案的制作，使器件满足用，使器件满足用户的要求，这是半导体工业的一次性革命
41、开户的要求，这是半导体工业的一次性革命开拓，利用此法可制作金属、半导体、电介质等拓，利用此法可制作金属、半导体、电介质等薄膜。薄膜。6.1.2 激光表面处理工艺 激光物理气相沉积激光物理气相沉积是利用激光照射并使陶是利用激光照射并使陶瓷材料瞬间蒸发，然后沉积到基体材料表面瓷材料瞬间蒸发，然后沉积到基体材料表面上，以形成各种陶瓷层，例如，上，以形成各种陶瓷层，例如，TiN、WC、SiN4、BN、SiAlON陶瓷层等。陶瓷层等。这种方法可以实现高性能和小型化的机械这种方法可以实现高性能和小型化的机械零件（如轴承、滑动零件）高精度和高寿命零件（如轴承、滑动零件）高精度和高寿命的要求，陶瓷层的耐磨性和
42、自润滑性能优的要求，陶瓷层的耐磨性和自润滑性能优良。良。6.1.2 激光表面处理工艺6.2电子束表面改性技术电子束表面改性技术 电子束表面改性技术与激光技术一样，电子束表面改性技术与激光技术一样，都是近年来迅速发展起来的表面处理新都是近年来迅速发展起来的表面处理新技术，它具有节约能源、防止环境污染、技术，它具有节约能源、防止环境污染、提高生产率和提高产品质量等优点，已在提高生产率和提高产品质量等优点，已在各发达国家得到广泛应用。各发达国家得到广泛应用。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术6.2.1电子束技术概述电子束技术概述 电子束是一束集中的高速电子。电子束是一束集中的高速电子。它的速
43、度取决于加速电压的高低，可达到它的速度取决于加速电压的高低，可达到光速的光速的23左右。左右。具有高的功率和功率密度的电子束撞击材具有高的功率和功率密度的电子束撞击材料表面，可使能量沉积在材料的亚表层区料表面，可使能量沉积在材料的亚表层区域，并可形成亚稳金属合金。域，并可形成亚稳金属合金。可在几分之一秒甚至千分之一秒把金属材可在几分之一秒甚至千分之一秒把金属材料由室温加热至奥氏体转变温度或熔化温度。料由室温加热至奥氏体转变温度或熔化温度。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术6.2.2电子束表面改性的特点电子束表面改性的特点（1）电子束淬火处理在真空中进行，减少了）电子束淬火处理在真空中进
44、行，减少了氧化、氮化的影响，可得到纯净、质量很好氧化、氮化的影响，可得到纯净、质量很好的表面处理层。的表面处理层。（2）电子束加热能量的转换率为）电子束加热能量的转换率为80%90%，能量利用率非常高。并且可以局部淬火，能量利用率非常高。并且可以局部淬火和表面合金化，避免了整体加热，所以应用电和表面合金化，避免了整体加热，所以应用电子束可以大大节约能源，属节能型表面改性子束可以大大节约能源，属节能型表面改性法。法。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术6.2.2电子束表面改性的特点电子束表面改性的特点（3）电子束淬火时靠金属基体自行冷却淬）电子束淬火时靠金属基体自行冷却淬火介质，一般也不需
45、要特别的冷却装置。火介质，一般也不需要特别的冷却装置。（4）由于能量集中、热作用点小，在加热）由于能量集中、热作用点小，在加热时形成的热应力小；由于硬化层浅，组织时形成的热应力小；由于硬化层浅，组织应力也小，所以零件变形小。应力也小，所以零件变形小。（5）在进行表面合金化时，能在极短的）在进行表面合金化时，能在极短的时间内达到一般渗金属几小时或几十小时时间内达到一般渗金属几小时或几十小时的渗层效果。的渗层效果。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术6.2.2电子束表面改性的特点电子束表面改性的特点（6）电子束加热可以用于各种钢种和铸）电子束加热可以用于各种钢种和铸铁的表面硬化以及表面合金化
46、，也适用形铁的表面硬化以及表面合金化，也适用形状复杂的零件的处理，所以用途较为广状复杂的零件的处理，所以用途较为广泛。泛。（7）电子束功率等参数可以控制，因此，）电子束功率等参数可以控制，因此，表面改性的位置、深度等工艺和性能指标表面改性的位置、深度等工艺和性能指标也能严格控制。也能严格控制。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术6.2.2电子束表面改性方法电子束表面改性方法 一、电子束表面相变强化一、电子束表面相变强化 在加热时，电子束以很高的速度轰击金属在加热时，电子束以很高的速度轰击金属表面，电子与金属材料中的原子相碰撞，给表面，电子与金属材料中的原子相碰撞，给原子以能量，使金属表面
47、温度迅速升高。由原子以能量，使金属表面温度迅速升高。由于电子束能量密度高，作用于金属表面的能于电子束能量密度高，作用于金属表面的能量集中，故而温度梯度很大，当表面达到相量集中，故而温度梯度很大，当表面达到相变点以上温度时，基体金属仍保持冷态。变点以上温度时，基体金属仍保持冷态。实现金属表面实现金属表面“自淬火自淬火”。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术6.2.2电子束表面改性方法电子束表面改性方法一、电子束表面相变强化一、电子束表面相变强化 获得一种超细晶粒组织。这是电子束快速获得一种超细晶粒组织。这是电子束快速加热的最大特点。加热的最大特点。淬硬层组织的致密性很好，有较高的耐腐淬硬层
48、组织的致密性很好，有较高的耐腐蚀性能。蚀性能。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术二、电子束表面合金化二、电子束表面合金化 将具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金将具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金属表面上，然后用电子束加热熔化，或在电属表面上，然后用电子束加热熔化，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，使零件表面形成一层很薄的在工件表面上，使零件表面形成一层很薄的具有良好性能的合金表面层，从而使金属表具有良好性能的合金表面层，从而使金属表面能获得很好的耐磨、耐腐蚀及耐热的性面能获得很好的耐磨、耐腐蚀及耐热的性能。能。第六章第六章
49、表面改性新技术表面改性新技术二、电子束表面合金化二、电子束表面合金化 用电子束快速加热进行表面合金化处理，用电子束快速加热进行表面合金化处理，尽管时间很短，但仍完成了液体金属的混合尽管时间很短，但仍完成了液体金属的混合和合金元素的扩散并重新分布的过程，从而和合金元素的扩散并重新分布的过程，从而获得了满意的表面合金化结构与硬度。获得了满意的表面合金化结构与硬度。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术三、电子束表面非晶化三、电子束表面非晶化 电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化处理相似，只是所用的热源不同而已。利用处理相似，只是所用的热源不同而已。利用聚焦的
50、电子束所特有的高功率密度以及作用聚焦的电子束所特有的高功率密度以及作用时间短等特点，可在表面的下层受热最小的时间短等特点，可在表面的下层受热最小的情况下，使材料的表面熔化形成小液池，这情况下，使材料的表面熔化形成小液池，这样便能获得极快的冷却速度。样便能获得极快的冷却速度。第六章第六章 表面改性新技术表面改性新技术三、电子束表面非晶化三、电子束表面非晶化 如在表层熔化如在表层熔化0.025mm深度时，可获得深度时，可获得106S的冷却速度。由于快速凝固细化显的冷却速度。由于快速凝固细化显微组织，可获得致密性极好的非晶态层，这微组织，可获得致密性极好的非晶态层，这种非晶态组织具有很高抗腐蚀与抗疲
