激光表面热处理技术

先进制造技术
——激光表面热处理技术摘要：激光表面处理技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合，为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计和制造工艺的某些根本性变革。

关键字：激光表面热处理
正文：激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波,激光束由一系列反射镜和透镜来控制,可以聚焦成直径很小的光(直径只有0.1mm),从而可以获得极高的功率密度(104~109W/cm2)。

激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段:吸收光束、能量传递、金属组织的改变、激光作用的冷却等。

它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。

随着大功率激光器出现,以及激光束调制、瞄准等技术的发展,激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域,并在近年得到迅速发展。

激光表面处理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,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法。

激光表面热处理是以激光作为热源的表面处理技术，其研究的是金属材料及其制品在激光的作用下组织和性能的变化规律，以及它在
工业行业中所必须解决的工艺和装备因此激光热处理是涉及化学、材料科学与工程、机械和自动控制工程等多学科的高新技术，是传统热处理的发展与补充。

采用激光热处理可以做到其它热处理方式难以实现的技术目标，所以国内外对于激光热处理的研究、开发和应用都正处于上升阶段。

激光表面热处理特点主要有：
1.在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。

其应用的潜力首先在于大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层。

2.强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。

3.依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质而冷却特性优异。

4.与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。

5.可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件, 可进行灵活的局部强化。

6.一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。

7.配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产。

8.生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。

激光表面热处理按照处理过程中因为采用的工艺方式不同或者采用相同的工艺方式中因参数的大小不同而产生不同的组织性能，可分为多种处理工艺，包括激光相变硬化，激光表面熔凝激光表面合金化，激光表面熔覆，激光表面冲击等，这些表面处理方法都利用了激光的高亮度、高方向性、高单色性和高相干性综合优异性能。

1.激光表面淬火
激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。

激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。

激光表面淬火的特点，激光表面淬火是一种利用高能量激光束扫描工件使被扫描的区域表面硬化的技术。

（1）激光淬火是快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，是一种无污染绿色环保热处理工艺，可以很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火。

（2）由于激光加热速度快，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的模具变形很小。

（3）由于激光束发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对模具表面进行精确的局部淬火。

（4）激光表面淬火的硬化层深度一般为0.3～1.5mm。

对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。

激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。

获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。

激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。

该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。

为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，本司配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。

现在进行激光熔凝处理的冶金行业各种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。

激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导卫、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果
显著，取得了很大的经济效益与社会效益。

近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用。

2.激光表面熔覆
激光表面熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。

激光熔覆的特点
（1）由于激光的快速加热和冷却过程，激光熔覆层组织细小，结构致密。

（2）由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对基材的热影响小，引起的变形小。

激光熔覆可以有效地修补裂痕、崩角以及磨损的密封边。

（3）激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆修复。

（4）熔覆层的稀释率小，可精确控制，熔覆层成分具有可设计性。

（5）无接触型处理，能实现自动化和柔性加工。

目前激光熔覆技术进一步面临主要问题①对激光熔覆过程裂纹的形成和行为缺乏深入的研究；②尚缺乏特别针对激光熔覆过程特别的容辅材料；③激光熔覆过程的检测和实施的自动化控制不够完善。

其中，裂纹的问题尤为严重。

3.激光表面合金化
激光表面合金化是采用激光加热，使金属表面合金化，以改变其化学成分、组织和性能的方法，利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。

⑴合金层硬度
以WC/Co为添加粉末合金化后，主要获得M6C型碳化物，硬度约为1300HV，由于碳化物量很流，呈细网格分布，基体又为马氏体组织，所以表面硬度达1000HV以上。

Cr3C2合金化以后，组织特征为基体上分布分布着网状碳化物，析出的碳化物为M7C3型，这种碳化物硬度高达2100HV，由于合金碳化物在基体中分布较稀。

故表层硬度也只有1000HV 左右。

在WC/Co中加入Ni粉以后，合金层中碳化物类型并不发生变化，但基体中出现奥氏体。

Ni的加入量越多，奥氏体量越高。

硬度也随着下降。

激光表面合金化，可以根据合金化成分构控制，得到高硬度的合金层。

⑵激光表商合金化的磨损性能
静载滑动磨损时，在单束斑扫描条件下，以WC/Co合金化时的耐磨性比45钢（淬火态），提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr 提高12倍。

宽带扫描时，用WC/Co合金化后，耐磨性提高28倍。

激光表面合金化的强化机制，是相变硬化、固溶强化和碳化物强化的综合强化结果。

WC/Co合金化后基体为马氏体，M6C型碳化物的硬度为1300HV左右，在磨损时，将首先选择性磨损马氏体基体，碳化物渐渐露出磨面，由于碳化物网的支撑作用，所以合金化展表现出极高的耐磨性。

激光热处理现有水平及发展趋势，激光热处理具有加热和冷却速度快、工件变形小、可进行局部热处理、工艺灵活性大、污染小和易实现自动化等优点。

目前,国外应用较多的激光热处理主要有激光表面相变硬化、激光冲击处理、激光表面合金化和激光表面熔凝等。

激光表面相变硬化处理现已用于铸铁、碳钢、合金钢、钛合金、铝合金等材料。

美国海军面射武器中心及陆军导弹分部对用于导弹上的凸轮、轴承、齿轮等零件进行激光表面相变硬化代替渗碳或渗氮工艺而取得了成功。

该阶段的主要特点:1.激光热处理设备已商业化,正朝小型化、自动化和柔性化方向发展;2.激光表面相变硬化处理工艺日趋成熟,广泛用于汽车、航空航天、武器等工业部门;3.激光表面合金化工艺因具有极大的经济效益,倍受各国的重视,研究工作进展较大,但仍处于基础工艺试验、组织分析和性能试验的实验室研究阶段,尚未进入工业应用;4.开展了激光涂覆处理、激光表面熔凝、激光脉冲冲击强
化处理和激光渗氮处理等工艺的研究。

随着激光技术的发展,激光器功率的提高,激光热处理的优点日趋明显,从而推动激光热处理的迅速发展。

激光热处理作为一种很好的节能型热处理工艺也是其迅速发展的动力之一。

参考文献：[1]刘勇，田保红，刘素芹著. 先进材料表面处理和测试技术. 北京：科学出版社，2008
[2] 陈江,刘玉兰. 激光再制造技术工程化应用[J]. 中国表面工程. 2006(S1)
[3] 邱星武. 激光技术在材料加工领域的发展及应用[J]. 稀有金属与硬质合金. 2010(01)。