激光表面改性技术及其应用.doc

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1、激光表面改性技术及其应用综述李德耀（北京理工大学材料学院，北京100081）摘要：激光表面改性技术是一种独特而有效的表面处理技术，在工业生产中应用广泛。本文简单介绍了激光表面改性的特点，特别是激光表面淬火、激光表面溶凝、激光合金化和激光熔覆技术的特点和应用，最后指出了激光表面改性技术存在的问题和发展前景。关键词：激光表面改性技术；激光表面淬火；激光表面溶凝；激光合金化；激光熔覆技；应用TechnologyofLaserSurfacingModificationandIt’sApplicationareReviewLiDeyao(DepartmentofMaterials

2、,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081)Abstract:Lasersurfacemodificationisaspecialandeffectivewayofmaterialsurfacetreatment,whichiswidespreaduseinindustrialproduction.Thispapergivesacompendiumoftheresearchandthedevelopmentsituationoflasersurfacemodification,inparticular,itfocusesons

3、everalaspectsofthefollowing:lasersurfacehardening,laserfusingtogether,lasersurfacealloyingandlasercladding,anditsrecentdevelopmentstatusarealsodiscussed.Atlast,thepaperdescribestheexistingproblemsanddevelopmentprospectoflasersurfacemodification.Keywords:lasersurfacemodification;laserclad

4、ding;laserfusingtogether;lasersurfacealloying;lasercladding;application1引言材料表面处理的方法有很多，应用激光对材料表面实施处理则是一门新兴的技术。激光表面改性的研究始于20世纪60年代，但是直到20世纪70年代，随着大功率CO2激光器的出现，激光表面改性技术才开始大量应用在汽车、电力、机械等行业。激光表面改性技术主要有：激光表面淬火、激光表面快速溶凝、激光表面合金化和激光熔覆等，本文针对各种激光表面改性技术的特点和应用做了探讨。2激光表面改性技术原理及特点激光表面改性技术是利用高能量密度的激光使金

5、属材料表面在瞬间(毫秒甚至徽秒级)被加热或熔化后高速冷却(可达104~108K/s)，从而使材料表面的化学成分、组织结构发生改变[1]。激光表面改性技术与激光工程的发展密切相关。激光是一种相位一致、波长一定，方向性极强的电磁波，可以通过聚焦来获得极高的功率密度（104~109W/cm2）。激光表面改性中应用的激光类型主要有3种:CO2激光(λ=10.6μm)，Nd:YAG激光(λ=1.06μm)和准分子激光。其它类型的激光还有铜蒸汽激光，红宝石激光，氩离子激光等[2]。美国通用汽车公司自1974年首次将CO2激光器用于激光淬火以来，先后建立了17条激光热处理生产线，每日

6、可处理零件3万件。该公司对易磨损的汽车转向器齿轮内表面用激光处理出五条耐磨带，克服了磨损问题，且基本无变形。此后德国、日本、意大利等国的汽车公司纷纷引入激光表面改性技术，并获得了很高的经济效益。通过激光表面改性的处理，可以使材料表面性质发生变化，提高材料表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能，进而满足工业生产的各种需求。相比于其他表面处理工艺，它具有以下显著优势：（1）激光束功率密度高，材料加热和自冷却速度极快，激光硬化处理后的工件表面硬度比常规淬火高5%~20%，耐磨性提高1~10倍。（2）依靠材料本身传到实现自冷却，无需冷却介质，工作效率高，有利于自动化生产。（3）可处理

7、零件的特定部位及其他方法难以处理的部位，对表面轮廓复杂的零件，可进行灵活的局部强化。（4）材料变形量小，热影响区窄，几乎不影响周围基体的组织。虽然激光表面改性技术有着明显的优越性，但是相关设备投入高，需要专业人操作，且处理局限于材料表面，对芯部的性能无法改变，这些缺点也制约了激光表面改性技术的发展。（a）（b）图2-1CO2激光器基本结构（a）和汽车转向器（b）3几种常见的表面改性技术3.1激光表面淬火激光表面淬火是利用激光以105~106oC/s的加热速度作用在金属表面上，使其温度迅速上升至相变点以上，并通过基体的热传导，以105oC/