激光表面改性技术研究
激光技术在原位材料表面改性过程中效果检测
激光技术在原位材料表面改性过程中效果检测激光技术在材料表面改性中广泛应用于增强材料性能、提高材料加工效率和改善表面特性。
在激光加工过程中，准确评估激光对材料表面的影响是至关重要的。
因此，激光技术的效果检测成为了原位材料表面改性过程中的一个重要环节。
激光技术的改性过程可以通过各种方式进行监测和评估。
其中，最常用和有效的方法之一是利用表面形貌分析技术，例如扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）。
这些技术可以提供高分辨率的图像，用于观察和测量材料表面的形态变化、微观结构和纳米尺度的特征。
通过比较激光加工前后的表面形貌图像，可以定量评估激光对材料表面的改性效果。
除了表面形貌分析，还可以利用光谱分析技术来评估激光改性的效果。
例如，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱可以提供材料的化学成分和分子结构信息。
这些技术可以用于检测激光引起的化学变化、物质转化和表面基团的变化。
通过分析光谱特征的变化，可以确定激光加工对材料的影响及其改性效果。
此外，还可以利用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术来评估激光改性的效果。
XRD可以提供材料的晶体结构信息，通过比较激光加工前后的XRD图谱，可以观察晶格的变化情况。
XPS可以提供表面元素的化学状态和组成信息，通过分析XPS光谱，可以确定激光改性引起的表面化学变化。
除了以上常用的检测方法，还可以利用热重分析（TGA）、显微硬度测试、电子顶角测试等方法来评估激光改性的效果。
这些方法可以从不同的角度对激光加工前后的材料进行测试和分析，进一步确认激光对材料表面的改性效果。
在进行激光技术的效果检测时，还需要注意一些问题。
首先，合适的样品制备和测试条件是保证测试结果准确性的重要因素。
样品表面的准备和处理过程应遵循一定的规范，以确保样品表面的一致性和可重复性。
此外，测试条件的选择也需要根据不同的材料和激光参数进行适当的调整，以确保测试结果的可靠性。
总结起来，激光技术在原位材料表面改性过程中的效果检测至关重要。
模具钢的激光表面改性研究
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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。
(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。
材料科学中的表面改性技术研究
材料科学中的表面改性技术研究近年来，随着科学技术的不断进步，表面改性技术在材料科学领域中引起了广泛关注。
表面改性技术是一种通过改变材料表面结构和性质来增强其性能的方法。
这项技术在工业生产与学术研究中都发挥着重要作用，并为人类社会的发展带来了巨大贡献。
在材料科学领域，表面改性技术被广泛应用于各种材料类型，如金属、陶瓷、塑料等。
其中，最常见的应用领域之一是金属材料。
金属材料的表面改性可以通过多种方法来实现，如电化学表面改性、离子注入、熔融浸渍等。
通过这些方法，可以改变金属材料表面的化学和物理性质，从而提高材料的耐腐蚀性、机械强度和疲劳寿命等重要性能。
在材料科学领域，发展出了许多表面改性技术，如等离子体表面改性技术、激光表面改性技术和化学气相沉积技术等。
等离子体表面改性技术是一种通过将材料表面暴露于等离子体中，将气体离子注入到材料表面从而改变其性质的方法。
激光表面改性技术则是应用强烈的激光束来改变材料表面的结构和性质。
化学气相沉积技术则是一种将气体分子沉积在材料表面形成覆盖层的方法。
这些技术的发展为材料表面改性提供了重要的手段和途径。
表面改性技术在材料科学中具有广泛的应用前景。
例如，在电子行业中，表面改性技术被用于制备高品质的电子元件，提高其导电性和光学性能。
在医疗领域，表面改性技术被用于制备人工关节材料，增加其生物相容性和耐用寿命。
在能源领域，表面改性技术被用于改进太阳能电池和燃料电池的性能，提高能量转换效率。
在汽车制造领域，表面改性技术被用于制备高强度、低摩擦材料，提高汽车的安全性和燃油利用率。
然而，表面改性技术研究仍然面临着一些挑战。
首先，目前的研究主要集中在实验室规模，缺乏大规模生产的经济性和可行性研究。
其次，表面改性技术中使用的材料和设备成本较高，限制了其广泛应用。
此外，表面改性技术对材料的热稳定性和机械强度有一定要求，因此需要更多的研究来解决这些问题。
为了克服这些挑战，我们需要加强材料科学领域的研究和开发，推动表面改性技术的创新和应用。
激光表面改性技术
（5）激光表面合金化
a 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：①可利用气体或液体材料作为合金元素 ②合金化层组织小，结构致密，气孔率低 ③无需以工件作为电极传导，粉末材料和基体 材料使用面广 ④ 热影响区小，工件变形小 c 用途：常用于在磨损、腐蚀、高温氧化等工作条件下 的工件表面强化，以及修复磨损件。
（4）激光冲击强化
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。 b 优点：①可在空气中进行，对基体材料不产生畸变。 ②可冲击强化精加工工件的曲面（如齿轮、轴承 等） c 用途：提高材料抗疲劳寿命
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 熔敷）
a 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：一步法（同步送料法）和预置法 （P5 –P6） c 优点：①涂层与基材集合好，熔覆组织致密。 ②降低材料成本，降低能源消耗，节约贵重稀 有金属。 d 用途：材料表面改善和修复
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基体
/techtransf er/common/getfile.php?id=166
15
激光抛光
16
激光表面清洗
污染物受热蒸发 表面污染 物吸收激 光能量 形成急剧膨胀的等 离子体，诱发冲击 波，使污染物弹射 离开表面
/.../html/1.stm
Weight % 1 Element 2 1 2 3 4 5 6 7
C
O Si
25.9
10.1 2.76 0.71 4.71 55.7
5.65
6.88 3.67 0.72 4.29 73.4
8.94
8.98 3.67 0.72 4.29 73.4 0.37 1.11 3.02 93.9 0.71 0.90 2.83 95.5 0.67 0.91 1.53 96.9 36.4 18.2 1.16 36.1 8.02
Targets
Quartz window
Laser beam
LAD300 Laser Arc Deposition System
谢谢！
22
6
激光与材料表面相互作用
激光
部分反射
材料表面原子
部分吸收激发原 子和电子振动转 化为热能
部分传递
7
激光的高能量密度和快速
1J 脉冲激光 脉宽 10ns 聚焦光斑直径 0.1mm
1千瓦 的电炉
1012
W/
cm2
3 W / cm2
约3 千亿倍
激光参数对表面质量的影响
9
激光参数对表面质量的影响
7 A
17
激光表面织构
Bennett TD, et al, Marangoni mechanism in pulsed laser texturing of magnetic disk substrates, J.Heat Transfer – Transactions of of the ASME 119 (3) 589-596 1997.
Transition band
Heat affected zone
机械密封表面的激光熔敷
/.../
13
激光诱导改性
激光 新物质生成 基体
活性气体
激光诱发化学反应
表面图形
Ti
Al
14
激光蒸发沉积PLD
聚焦镜 透射窗 激光
真空室
靶材 蒸发粒子
4
基 基 体 体
1960年 “受激发射光放大”
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation --- LASER
T. H. Maiman
/.../LASER%20WEBPAGE.html
5
激光器种类： 固体、气体、液体、半导体、染料 脉冲、连续 红外、可见光、紫外 激光特点： 方向性 单色性 相干性
4
3
Cr Mn Fe
激光与材料表面相互作用
改变表面 几何性质
改变表面材 料微观结构
表面材料 蒸发烧蚀
材料表面 其它效应
11
激光硬化 激光熔覆
激光在表面技 术中的应用
激光诱导改性 激光蒸发沉积 激光抛光 激光表面清洗
激光表面织构
12
激光相变硬化
激光熔覆
Melted zone
1300µm
Hardened zone
实验室科研探究课
第25单元
激光诱导表面改性技术研究
laser Induced Surface Modification
表面是指固体表层一个或数个原子层的区域。 由于表面粒子（分子或原子）没有邻居粒子， 使其物理性和化学性与固体内部明显不同。ed the solids, the DEVIL their SURFACEs
---- Wolfgang Pauli
3
表面处理方法一览
机械处理 --- 喷丸、滚压 表面热处理 --- 火焰淬火、高频淬火、激光、电子束处理 表面化学热处理---渗碳、渗氮、渗硫、碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗硅、渗铬 离子注入 激光冲击硬化 转化涂层 ---- 阳极氧化、磷酸盐处理 物理气相沉积PVD ---- 溅射, 弧离子镀, 高能束蒸发沉积 化学气相沉积CVD, 等离子体辅助化学气相沉积PCVD 凝胶- 溶胶法 SOL – GEL 电镀、化学镀、复合镀, 热浸镀 激光熔敷, 堆焊 热喷涂--- 等离子、电弧、火焰、超音速、爆炸 自蔓延涂层SHS (Self-propagating high-temperature synthesis) 黏结涂层 --- 静电喷涂、涂镀 表面织构化处理
18
/shoc h/2...65_1.htm
19
激光诱导真空弧沉积
Protection resistance Switch K1 Switch K2 Arc voltage DC voltage supply Temperature control Negative bias Substrate Vacuum chamber Target holder Electrode Particles Resistive heater Substrate holder Reflecting focusing mirror Gas inlet Capacitor C V A Arc current