激光表面改性技术
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。
激光表面熔覆的热影响区
激光表面熔覆的热影响区激光表面熔覆是一种常用的表面改性技术，它通过高能激光束瞬间照射工件表面，使其熔化并迅速冷却，形成熔覆层。
然而，激光表面熔覆过程中会产生热影响区，这是激光能量传递到工件表面并扩散到周围的区域。
热影响区是指在激光表面熔覆过程中，由于能量的传递和热量的积累，导致工件表面及其周围一定范围内的材料发生热变化的区域。
这个区域通常包括三个部分：熔化区、变质区和热影响区。
首先是熔化区，它是激光束直接照射到的区域。
在这个区域内，材料受到高能激光束的瞬间加热，达到熔点以上的温度，从而熔化成液态。
熔化区是热影响区中温度最高的部分，也是形成熔覆层的关键区域。
其次是变质区，它是熔化区周围的区域。
在这个区域内，材料的温度虽然没有达到熔点，但也受到了较高的温度影响，发生了组织结构和性能的变化。
变质区是热影响区中温度逐渐降低的部分，其性能与基材相比发生了一定的改变。
最后是热影响区的外部区域，也就是未受到热影响的基材区域。
在这个区域内，材料的温度基本没有变化，其组织结构和性能基本保持不变。
该区域是激光表面熔覆后的工件保持原有性能的关键区域。
激光表面熔覆的热影响区对工件性能产生了重要影响。
首先，熔化区的高温使材料发生相变，晶粒尺寸变大，因此熔覆层的硬度和抗磨性能相对较高。
其次，变质区的组织结构改变导致熔覆层的强度和塑性相对较低。
最后，热影响区的存在使得工件在激光表面熔覆后仍能保持一定的基本性能，同时也提高了熔覆层与基材之间的结合强度。
在实际应用中，需要根据不同的工件和要求，合理控制热影响区的尺寸和性能。
一方面，热影响区的尺寸过大会导致熔覆层与基材之间结合不牢，甚至发生裂纹等缺陷；另一方面，热影响区的尺寸过小则无法满足对熔覆层性能的要求。
因此，在激光表面熔覆过程中，需要通过合理选择激光功率、扫描速度和熔覆层厚度等参数，来控制热影响区的尺寸和性能。
激光表面熔覆的热影响区是激光能量传递到工件表面并扩散到周围的区域。
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
激光增强电镀
激光化学气相沉积
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。
激光冲击硬化善了材料表面的耐磨性和耐腐 蚀性能。 （2）大大提高材料的强度和硬度。 （3）最大的优点在于明显改善材料的抗疲劳性能。
（由于激光冲击强化后使材料产生的变形很小，不产生热影响区，也不改变材料的 表面粗糙度，非常适合于微孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。）
（4）与传统的喷丸、锻打相比，洁净、无公害，可 处理圆角、拐角等部位
激光冲击硬化原理
1. 过程:材料表面局部升温、汽化、电离，产生高压力 (GPa)的等 离子体膨胀，对材料表面造成冲击波或应力波。
➢ 玻璃作为约束层时，B=21; 水，B=10. 1
➢ 冲击波峰压只与激光功率密度有关，与激光的脉宽和波长 无关
强化机制
表面硬度提高机理: ✓ 一对铝合金试样分析后认为，试样中存在的高密度位错是
硬度提高的主要原因； ✓ 一对各种铁基合金，冲击后位相的转变如y相至α相转变，
也是材料硬度提高的一个原因。对不锈钢激光冲击处理后 发现，马氏体的转变使表面硬度提高150%~200%； ✓ 一冲击处理后材料结构的改变例如缠结也能极大地提高表 面硬度。
国内外现状与发展
➢ 1970年贝尔实验室首次开始 ➢ 两个方向:
一小能量，小光斑，短脉冲，如:20mJ YAG，脉宽150ps, 光斑 直径0.1 mm, I=1012w/cm2； 一高能量，超短脉冲；
➢ 主要研究方向:小功率、约束层，功率密度越来越高 ➢ 主要用水和玻璃作为约束层
一玻璃的阻扰高，但装夹困难且碎片难以收集 一水操作方便
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。
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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激光表面改性技术
优点 • (1)能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化：
• (2)能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工 件变形 小；
• (3)处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线：
• (4)改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低； • (5)通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材； • (6)由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力 于发展安全设施。
主要研究方向:小功率、约束层，功率密度越来越高
主要用水和玻璃作为约束层
一玻璃的阻扰高，但装夹困难且碎片难以收集 一水操作方便
存在的主要问题
激光冲击效果的无损检测。目前测表面残余压应办
主要使用X射线衍射仪，这种方法设备昂贵，需由专 业人员操作，只适合实验室使用。 新裂约束层的选择研究。 冲击参数的优化研究。 高能量、高频率激光器的研制。
冲击波峰压
当将等离子体看作理想气体，激光为高斯光束时，冲击波 峰压P可表示为P=B I1/2
玻璃作为约束层时，B=21;
水，B=10. 1
冲击波峰压只与激光功率密度有关，与激光的脉宽和波长
无关
强化机制
表面硬度提高机理: 一对铝合金试样分析后认为，试样中存在的高密度位错是
硬度提高的主要原因；
（3）最大的优点在于明显改善材料的抗疲劳性能。
（由于激光冲击强化后使材料产生的变形很小，不产生热影响区，也不改变材料的 表面粗糙度，非常适合于微孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。）
（4）与传统的喷丸、锻打相比，洁净、无公害，可
处理圆角、拐角等部位
பைடு நூலகம் 激光冲击硬化原理
1. 过程:材料表面局部升温、汽化、电离，产生高压力 (GPa)的等
激光表面改性技术的分类
激光表面改性技术的分类方法很多，通常可以根据其是否改变基材成分 分成两大类：
激光淬火(激光相变硬化) 激光退火 激光非晶化 激光极化
不改变基材成分
激光清洗
激光熔凝淬火 激光冲击硬化 激光组织细化
激光表面改性技术 激光熔覆 激光合金化 激光物理气象沉积 改变基材成分
激光诱导液相沉积
一对各种铁基合金，冲击后位相的转变如y相至α相转变， 也是材料硬度提高的一个原因。对不锈钢激光冲击处理后 发现，马氏体的转变使表面硬度提高150%~200%； 一冲击处理后材料结构的改变例如缠结也能极大地提高表
面硬度。
国内外现状与发展
1970年贝尔实验室首次开始
两个方向:
一小能量，小光斑，短脉冲，如:20mJ YAG，脉宽150ps, 光斑 直径0.1 mm, I=1012w/cm2； 一高能量，超短脉冲；
离子体膨胀，对材料表面造成冲击波或应力波。 2. 功率密度为107~1011w/cm2。 3. 作用时间为几ps到几百ns。 4. 典型冲击强化工艺参数:铷“玻璃激光器，输出能量80~100J，脉 宽3~30ns，光斑直径1 cm。 5. 主要是力的作用，热作用可忽略不计，防止裂缝生长和发展，
细化晶粒一锻压效果。
激光增强电镀 激光化学气相沉积
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。
激光冲击硬化原理示意图
优点 （1）激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐
蚀性能。
（2）大大提高材料的强度和硬度。
分类
有约束层
一激光束透过水或玻璃被吸收层
吸收，吸收层部分汽化形成等 离子体，由于等离子体被约束 在约束层和试样之间，根据理 想气体的状态方程，在有约束 层时可以比无约束层时获得更 高的冲击波峰压
无约束层 一工艺简单
主要参数
激光功率 脉冲频率 脉冲持续时间 光斑尺寸 约束层选择