激光表面改性技术应用(精)
材料表面改性技术的研发与应用
材料表面改性技术的研发与应用随着科技的不断进步和人们对材料性能要求的不断提高，材料表面改性技术在许多领域都得到了广泛的应用。
材料表面改性技术通过对材料表面进行物理或化学处理，可以改变材料的表面性质，从而提高其性能和适应性。
一、电化学表面改性技术电化学表面改性技术是通过在外加电场或电流的作用下，使材料表面发生氧化、还原、合金化等反应，从而改变材料表面的结构和性质。
这种技术可以用于改善材料的耐腐蚀性、附着性和界面性能等方面。
比如，利用阳极氧化技术可以在金属表面形成一层厚度均匀、致密、硬度较大的氧化层，从而提高材料的耐磨损性和硬度；利用镍电镀技术可以在材料表面形成一层具有良好耐腐蚀性的镍合金层，增强材料的抗氧化性能。
二、激光表面改性技术激光表面改性技术是利用激光束的热、化学、物理效应对材料表面进行改性的一种方法。
通过控制激光的能量和作用时间，可以实现材料表面的熔化、烧蚀、热处理、表面粗糙度控制等操作，从而获得所需的表面性能。
例如，利用激光的高能量密度和短作用时间，可以在材料表面形成高温、高压的条件，实现材料的表面熔化和淬火处理，提高材料的硬度和耐磨性。
三、化学表面改性技术化学表面改性技术是通过利用化学反应改变材料表面的组成和性质。
常见的化学表面改性技术包括溅射沉积、溶胶凝胶法、浸渍法等。
这些技术通常通过将具有所需特性的溶剂、溶液或固体颗粒浸渍到材料表面，然后通过干燥、热处理等方法，使溶剂或溶液中的成分与材料表面发生化学反应，在表面形成一层改性层。
例如，利用溅射沉积技术可以在材料表面形成一层致密、均匀的薄膜，从而改善材料的磨损性和化学稳定性。
四、纳米表面改性技术随着纳米技术的发展，纳米表面改性技术受到了广泛关注。
纳米表面改性技术是指通过在材料表面引入纳米颗粒、纳米涂层或纳米复合材料等纳米结构，从而改变材料表面的形貌、结构和性能。
例如，将纳米颗粒分散在材料表面，可以增加材料的表面积和界面能，提高材料的吸附性能和化学活性；将纳米涂层覆盖在材料表面，可以增加材料的硬度和抗磨性；将纳米复合材料制备到材料表面，可以实现多种功能的集成，如抗腐蚀、抗菌、自洁等。
激光技术在材料表面处理中的应用
激光技术在材料表面处理中的应用随着科学技术的发展，激光技术已经成为现代产业化生产和科学研究领域中不可或缺的一种重要手段。
作为一种高能量密度的光束，激光的应用领域十分广泛，从原子物理到生物医学，都有激光的身影。
在材料领域，激光技术也具有独特的优势，特别是在材料表面处理中的应用，可以帮助优化材料表面性能并提高材料的使用寿命。
一、激光技术在表面改性中的基本原理激光技术在材料表面处理中的应用，主要是通过激光与材料表面的相互作用来实现的，其基本原理是激光的高能量密度可以激发材料表面的原子和分子，使其发生化学、物理、热力学等方面的变化。
具体地说，可以通过以下几种方式实现材料表面改性：1. 激光熔覆（Laser cladding）：激光对工件表面进行扫描，使其局部区域的温度升高，材料表面开始熔化，在划定的熔化区域内加入合适的材料粉末，激光和粉末共同作用下，在工件表面形成一层新材料，使其表面性能发生变化。
2. 激光表面取样（Laser surface modification）：激光瞄准材料表面，通过光热相互作用，使表面材料脱除一层钝化层，进而暴露出活性原子，修改表面化学性质并增加表面粗糙度和表面活性，从而提升材料的附着性、耐磨性和耐腐蚀性等表面性能。
3. 激光刻蚀（Laser etching）：激光在材料表面划出图案、文字或图像，因为激光线的有效能量密度特别高，在表面材料上形成一定的切迹，从而实现表面形貌、颜色的微细调整。
特别是在制造微电子领域，激光刻蚀技术具有广泛应用。
到这里，读者应该对激光技术在材料表面处理中的基本原理和方式有了大概的了解。
下面，我们来说说激光技术在材料表面处理中的具体应用。
二、激光技术在材料表面处理中的应用实例（1）激光表面取样改性激光表面取样改性是通过激光加热局部区域，使其超过材料的熔点，从而使材料表面瞬间升温，并脱除表面氧化层，从而获得更好的表面附着性能和低粘附性。
例如，有研究发现，对于钢材，在激光处理后的表面粗糙度显著增加，疏水性油(切削液)的接触角也大幅度提高。
激光表面改性技术
激光物理气象沉积 激光诱导液相沉积
激光增强电镀
激光化学气相沉积
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激光淬火技术
激光淬火又称激光相变硬化，就是利用激光将金属材料加热到相变点以上， 金属熔化以前，依靠金属自身冷却达到淬火的目的。激光相变硬化的实质是 马氏体相变硬化。马氏体和亚结构晶粒都被超细化，相变硬化后残余奥氏体 也被显著强化。与常规热处理淬火相比较，激光相变后材料硬度要提高，低 碳钢也能提高一定的硬度。
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优点
与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、 组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变 化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
激光表面改性技术及其优点
激光表面处理是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材 料表面，在材料表面形成一定厚度的处理层，借助于材料表面本身传导 冷却，来实现其表面改性的工艺方，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。激光表面改性技术广泛应用于航空、航天 、机械、电器、兵器和汽车制造行业。
优点
（1）工件表面强度高，比常规淬火高5%-20% （2）加热速度快，热影响区小，淬火应力及变形小 （3）可对形状复杂的零件盒不能用其他方法处理的零件进行局部硬化 （4）工艺周期短，生产效率高，易实现自动化 （5）激光淬火靠热量由表及里的传导自冷，无需冷介质，对环境污染小
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激光冲击硬化
利用高能密度激光束照射金属材料表面，由于金属升华气化而急速 膨胀，产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波，从而提高了金 属材料的物理机械性能。
激光表面强化技术及其应用
激光表面强化技术及其应用
激光表面强化技术是一项全新的技术，可以实现金属的表面改性，改善材料的表面性能，提高材料的耐磨性、腐蚀性和破坏性，延长外壳的使用寿命。
通常情况下，激光表面强化技术可以满足金属表面的改性需求，并且可以快速、灵活地制备。
激光表面强化技术可以应用于很多领域，如汽车配件表面加工、矿山机械表面加工、制冷管材表面加工和其他机械设备表面加工等。
在汽车配件表面加工中，激光表面强化技术可以提高碳素钢的耐磨性，改善碳素钢的表面性能，以及改善碳素钢表面的粗糙度。
而在矿山机械表面加工中，激光表面强化技术可以提高不锈质件的耐磨性，提升不锈钢件的表面质量，从而延长机械设备的使用寿命。
在制冷管材表面加工中，激光表面强化技术可以增加管材表面硬度，提高管材的耐腐蚀性和耐磨性，以及降低热膨胀系数，从而改善管材的使用性能。
此外，激光表面强化技术还可以应用于其他机械设备表面加工，如各种非金属件的表面加工，可以显著改善非金属件的表面性能。
激光表面强化技术的应用非常广泛，不仅可以改善金属和非金属表面的性能，还可以应用于多种机械设备的表面加工，提高机械设备的使用性能和使用寿命。
激光表面强化技术是未来金属表面加工技术进步的重要利器。
(完整版)激光表面改性技术
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。
b 优点： ①一般不添加合金元素。 ②熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。 ③在熔凝过程中，可以排除杂质和气体。 ④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
a 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。
效率加工。 ③ 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。 ④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。 ⑤ 设备昂贵，一次性投入高。
（2）前景
① 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。
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。
激光表面改性技术——激光毛化技术讲解
激光表面改性技术——激光毛化技术讲解2014 项目申请表主要性能、特色、应用范围及市场远景：一、主要性能、特色激光毛化技术（ Laser Texturing 或 Laser Surface Texturing，LT 、LST）是将经过特别调制的高能量密度脉冲激光束聚焦后照耀到资料表面，资料汲取激光能量后温度高升，并产生融化、气化形成光致等离子体等阶段。
使资料在表面一个细小地区内融化，形成熔池。
在表面张力或协助气体的作用下，熔池会发生变形。
当光束停止照耀时，因为迅速的热传导，熔池会很快凝结，这样就会形成一个边沿微凸的毛化坑，假如需要还能够将必定成分的协助气体吹向熔池，以获得特定容貌的毛化坑。
经过控制激光束和资料的相对运动，就能够在资料表面形成一系列平均散布的毛化坑。
资料表面的激光毛化过程中的组织变化，相当于是一次迅速激光淬火，即相变硬化过程，能够提升被加工资料（如轧辊等）的表面硬度及耐磨性，进而提升其使用寿命。
与传统的喷丸毛化办理及电火花毛化办理技术对比，激光毛化技术拥有以下特色：1.可控性高，经过控制激光毛化过程及协助气体量的大小，在资料表面能够获得随意的毛化容貌及粗拙度；2.环境友善，毛化过程中，不产生任何对环境有害的物质；3.毛化表面的性能可控，可经过改变激光毛化的气体气氛或经过在需毛化的资料表面预铺设相应的资料，在毛化过程中，调控毛化层组织，实现毛化层所需的性能要求；4.工艺流程简洁，激光毛化对资料表面要求较低，无需预办理；5.加工速度快，性价比高；6.加工资料不受限制，激光毛化技术是利用激光热效应的原理，可在随意金属及非金属表面实现毛化办理；7.战胜毛化过程中出现的划痕、边浪。
二、应用范围及市场远景在工业生产微细化、精细化、智能化、自动化的迅速发展的今日，波及了光学、摩擦学、生物医学、资料学、流体动力学等，拥有高可控性、高效率、高性能、高性价比、高附带值和环境友善特征的激光毛化技术，合用于随意资料的表面毛化办理领域，如钢铁轧板及轧辊的表面毛化，拥有极好的市场及发展远景。
激光表面改性技术
激光表面改性技术1. 激光束的产生及原理；2. 激光束的特点；3. 激光束表面处理的特点；4.反应过程5. 应用（常见的激光表面处理工艺）。
激光表面改性技术，是应用光学透镜将激光束聚集带很高的功率密度与很高的温度，照射各种材料表面，借助于材料的自身传导冷却，实现材料表面改性的方法。
通过激光表面改性，可大幅度提高材料或零件部件的性能和寿命，获得极大的社会效益和经济效益，其应用前景十分广阔。
一、激光束的产生某些具有亚稳态能级结构的物质（如氦、氖、二氧化碳）受外界能量激发时，使其处于亚稳态能级的原子数目大于处于低能级的原子数目，具有这种特性的物质称为激活介质。
将激活介质置于两个反射镜之间，其中一个反射率为100%的全反射镜，相对的一个是反射率为50%~90%的部分反射镜。
在光学谐振腔内，激活介质受到激发而产生光子辐射，使辐射不断加强。
遇有反射镜的存在，光子在两个反射镜间不断传播、反射，沿轴线方向不断连锁地进行下去，形成光震荡，最后由部分反射镜的输出端发射出来的频率、相位、传播和振动方向完全相同的光子成为激光束。
二、激光束的特点自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世以来，激光技术已得到了很大的发展，并在国民经济各个领域得到广泛的应用。
与其他光源相比，激光束具有许多突出的特点。
（1）高功率密度（高亮度）：与其他光源相比，激光光源发射激光束的功率密度较大，经过光学透镜聚集后，功率密度进一步增强，可达1014/cm2，焦斑中心温度可达几千度至几万度，比太阳的表面亮度高1010倍。
（2）方向性好：激光可认为是近似平行光束，因为激光束的发散角小到0.1mrad，是其他光源无法达到的。
因此，激光在传输过程中的能量损失很小，可利用光学透镜把高功率密度的激束光导向设定的零件部件部位。
（3）高单色性：激光源发出的激光是具有相同的位相与波长，光谱线宽可调节到10-7Ao，比其他单色性最好光源的谱线宽度小几个数量级。
三、激光束表面处理的特点与其他表面处理技术相比，激光表面处理具有如下特点：1.激光束处理表面后材料表面的化学均匀性很高，晶粒细小，因而表面硬度高，耐磨性好。
激光表面改性技术
1激光表面改性技术发展历程激光的发明及应用是20世纪对人类文明及社会进步影响最深远的重大科技成果之一，激光技术在材料科学及制造科学中的应用，大大促进了材料科学与工程及先进制造技术的发展激光表面改性是运用高能激光束对工件表面进行改变性能的技术，具有许多独有的特点。
从20世纪60年代激光问世以来，激光技术作为一门崭新的高新技术，几乎在各行各业都获得了重要的应用。
20世纪70年代中期大功率激光器的出现，使激光绿色再制造技术不仅在研究和开发方面得到迅速发展，在工业应用方面也取得了长足进步。
经过30年的迅猛发展，激光绿色再制造技术已在汽车、冶金、纺织等行业得到成功的应用，获得了良好的社会效益和经济效益。
激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20％的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90％以上。
激光具有四大特性:高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
激光的能最密度高（可达104-108 M/cm2)，作用于工件表面时形成局部高温，基体的加热速度和冷却速度极快，般可达104-108 ℃/S。
与传统的热加工技术相比，激光加工对基体的热影响区小得多，因此工件一般不产生热变形或变形量极小。
此外，由于激光加工是光子与材料相互接触，故而对环境的污染小，是名副其实的绿色加工技术。
进行激光表面改性处理的目的是为了制取与基体性能有较大差异的改性层，它包括激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆等技术。
激光淬火是运用高能激光束对工件以定速度进行扫描，使工件在激光照射下瞬间达到相变点以上高温，然后以极高的速度冷却，达到表面淬火的效果。
激光表面合金化是添加某一种或几种合金元素在基体表面，在激光束的照射下形成熔池，并与基体材料发生冶金反应，获得含基体元素和添加元素的合余改性层。
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开发的新型激光切割机定位支架完全采用了CAD/CAM一体化制造技 术，在UG软件中完成，采用薄钢材插装结构，薄钢材厚度为 1.5mm，材料为Q235或A3。断面上以50mm为增量，每隔 100-200mm设计一个插脚，底板上也相应地设计插槽。
2、项目针对的主要问题及解决办法
提高产品质量
针对目前传统制造业的机械产品质量问题，开发激光加
工技术达到提高磨损、提高硬度、延长寿命的目的； 减少工序提高效率 针对机械零件的飞边毛刺等的清理需要多道工序，费工费 时，用激光精确切割清理铸件余边，代替现有的多道工序（ 手工去边、砂轮粗磨、人工锉、砂布精磨和布轮抛光等）， 提高了工效和产品质量。
四 、项目实施方案
1、方案
采用激光切割技术进行切边，采用一道工序完成多道工 序的工作；采用CAD/CAM一体化制造技术，在UG 软件中 完成定位，采用薄钢材插装结构，薄钢材厚度为1.5mm，材 料为Q235或A3。断面上以50mm为增量，每隔100-200mm 设计一个插脚，底板上也相应地设计插槽。采用先进、巧妙 的结构, 使得复杂的三维零件定位问题转化成了较简单的二 维数控编程问题，降低了这项新技术的应用门槛，非常易于 普及和推广，具有广泛的应用前景。 评估生产的可行性，提出改进工艺方案，再进行优化试 验。在产品质量评估，效益、成本核算的基础上，最终形成 量产技术工艺文件，指导日常生产。
应用前景： 本项目产品工艺先进，性能优异，技术居国内领先水平，国内 外市场需求量很大，预期经济效益良好。它的产业化和推广应 用具有节约材料、节省油耗、减少排放，保护环境、延长使用 寿命、提高安全性能等重要作用，社会效益显著。
三、研究开发内容及关键
1. 主要研究内容 采用激光加工技术提高铝合金发动机铸件质量和效率，采用激光切割 铸件余边，提高生产效率和产品质量，降低生产成本。
高精度激光加工技术及其定位工装的开发
项目工作总结报告内容
一、立项的背景和意义 二、技术经济指标 三、项目研究内容 技术关键 四 、项目实施方案 五、项目计划 六、经费概算
一Байду номын сангаас项目的背景
1、项目技术背景
激光加工的主要优势在于加工材料范围广，适用各种金属/非金属材料
非接触加工方式，热变形小，加工精度较高；可进行微细加工。
三、技术关键
（1）开发金属部件余边专用激光器 采用比现有激光器成本低的激光光源，传输采用光纤，数据化编程 控制，在对加工部位进行保护的过程中，创新性采用价格低的 压缩空气取代现有的昂贵并具有危险性的氩气、氮气和氧气， 具有环保的特点，提高产品的附加值。 （2）开发一种提高铸件性能及成品率的激光表面处理技术及工艺 对机械加工面采用粗加工后激光处理，提高表面性能，而且对缩孔 疏松等缺陷焊合，提高了产品的质量和成品率。 （3）开发新型定位工装使激光技术与传统工艺无缝对接 采用薄钢材插装结构, 薄钢材厚度为1.5mm，材料为Q235或A3。 断面上以50mm 为增量，每隔100-200mm设计一个插脚， 底板上也相应地设计插槽。降低了这项新技术的应用门槛，易 于普及和推广。
激光聚焦直径理论上可至 1μm 以下，实际可实现 φ0.01mm 的小孔加工和窄缝 切割；加工速度快，效率高； 激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作；可控性好 ，易于自动控制。 本项目申报单位经过实际调研显示，激光加工在很多方面已经显示出了自己的 独特优势，激光加工不但生产效率高，近乎无污染的洁净加工技术，而且许多工
（2）铸造余边专用激光器及切割工艺参数开发 联合温州嘉泰激光有限公司采用价格较低的激光光源，光纤 传输，数据化编程控制，气体不采用现有的氩气、氮气和氧气， 而是采用压缩空气。优化激光加工工艺参数，保证激光切边的 精度和质量。 （3）控制技术与激光技术的集成创新 该项目的技术领域是激光技术与铸件生产的集成创新技术在 机械领域的应用。新型定位支架采用了先进、巧妙的结构，使 得复杂的三维零件定位问题转化成了较简单的二维数控编程问 题，降低了这项新技术的应用门槛，易于普及和推广，具有广 泛的应用前景。
国内外状况
在欧美发达国家中，大约有50%~70%的机械零 部件都用到了激光加工技术。近十年来激光技术在 制造业中的应用发展迅猛, 统计资料表明欧美日工业发达国家中, 有50% ~70%的零部件都是采用激光技术加工完成。从车 身、电器仪表到传动部件，从焊接、切割到激光打 标，到处都有激光技术的应用，不胜枚举。 欧美日等发达国家经过多年的连续快速发展以后， 2011年略有下降，但欧洲国家仍然在激光的精细 加工市场方面增长了20%。
艺与传统加工技术相比，成本更低，因此，在一些领域已全面替代了传统工艺技
术。
本项目立足温州，充分发挥温州的制造业产业优势，促进激光 产业应用，将激光加工技术应用于轻工机械、泵阀、汽摩配等 特色优势产业上的应用，为将温州打造成为激光应用中心做出 贡献。 对于龙湾不锈钢、轻工机械、阀门等企业生产的产品，激光加 工具有加工精度高、变形小、表面光滑、无塌边，加工后工件 可直接用于装配，免除了模具制造费用；大大缩小了产品加工 时间；激光切割适用于不同形状，可排版式套裁切割，能保证 材料最大利用率，减少了浪费；另外切割过程中可随机对工件 进行标识打标和点状打标；为非接触性加工，避免了钣材划花 刮伤现象，提高了产品档次。激光精细加工技术具有较大的发 展和应用潜力。
3、项目创新点
1）开发激光加工专用工装，提高定位精度， 取代传统昂贵的模具定位系统； 2）通过与多家国内科研机构的合作开发使 用可用于机械类产品的低成本激光加工系统。 3）用激光精确切割清理铸件余边，代替现 有的多道工序，提高了工效和产品质量；
二、项目技术经济指标
（1）粗糙度指标 采用该项目技术切除铸造余边，零件表面粗糙度小于0.4； （2）精度指标 采用该项目技术的新型工装定位，定位切除误差小于0.3mm； （3）成本指标 采用该项目技术，零件的制造成本不高于现有技术成本。 （4）项目完成后申报2项以上专利，并在产品应用的技术水平上保 持国际先进水平。