表面處理工藝-激光表面處理
信息來源：m.mxutu.cn 發布時間：2019.12.30
定義：
通過激光對工件表面進行設計和改進處理，從而改善其表面性能的方法。
原理：
激光束向金屬表面層照射，金屬表層和其所吸收的激光進行光-熱轉換。當光子和金屬的自由電子相碰撞，金屬導帶電子的能級提高，并將其吸收的能量轉化為晶格的熱振蕩。由于光子能穿透金屬的能力極低，作用深度很淺，故僅能使其表面的一薄層溫度升高。由于導帶電子的平均自由時間僅有0.001s左右，因而這種熱交換和熱平衡的建立是非常迅速的。
分類：
包括清洗、相變硬化、合金化、涂敷、熔凝、沖擊強化等。
激光清洗：
1.定義：
利用高能的激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或涂層發生瞬間蒸發或剝離，高速有效地清除表面的污染物或涂層。
2.特點：
a.不需有機溶劑，沒有廢液排放，殘渣少，不會造成環境污染；
b.有效清除其他方法難以去除干凈的吸附在物體表面的亞微米粒子；
c.柔性高、可控性好、易于選區定位精密清洗；
d.易于遠距離遙控清洗難以到達或危險的地方。
3.方法：
a.激光干洗法，即采用脈沖激光直接輻射去污；
b.激光+液膜的方法，即首先沉積一層液膜于基體表面，然后用激光使液膜發生爆炸去污；
c.激光+惰性氣體的方法，即激光輻射的同時，用惰性氣體吹向工件表面，當污物從表面剝離后，就被氣體遠遠吹離表面，避免清潔表面再次污染和氧化；
d.用激光使污物松散后，再用非腐蝕性的化學方法去污。
激光相變硬化：
1.定義：
以高能量的激光束快速掃描工件，使工件表層迅速加熱到奧氏體化溫度，隨后通過熱量往基體深部的傳導，被加熱的表層以很快的速度冷卻，得到馬氏體組織。
2.目的：
在工件表面有選擇性的局部產生硬化帶以減低磨損，以及通過在表面產生壓應力來提高疲勞強度。
3.優點：
a.淬硬層組織細化，硬度比常規淬火提高15~20%，鑄鐵經淬火后耐磨性提高3~4倍；
b.加熱速度快，工藝周期短，生產效率高，成本低，工藝過程易于控制，自動化程度高；
c.對于孔狀及腔筒內壁等特殊部位，只要激光束能照射到的均可進行處理；
d.可進行大型零件的局部表面的硬化及形狀復雜零件的硬化處理；
e.淬硬層深度可精確控制。
激光合金化：
1.定義：
在高能束激光作用下，將一種或多種合金元素與基材表面快速溶凝，從而使廉價材料表面具有預定的高合金特性的技術。
2.特點：
a.低級金屬零件的局部表面經處理后能獲得高級合金的性能；
b.層深層寬可以得到精密控制，施加合金用量少，效率高；
c.由于激光加熱層溫度梯度大，故結合層窄，結合質量好，對基體金屬性能的壞影響小；
d.高熔點合金能容易涂覆在低熔點合金表面；
e.施加合金的方法有：粉末法、等離子涂層法、鍍層法、真空濺射法、爆炸結合法等；
f.表面預先準備手續較多，如開槽、不平處加工等；
g.在一些硬度高、孔隙率低、結合好的涂層上已出現裂紋，需預熱解決膨脹差異。
激光涂敷：
1.定義：
采用激光加熱，使基材材料，僅表面一極薄層熔化，同時加入另外的合金成分并一起熔化后迅速凝固形成新的合金層。
2.材料：
基體材料為碳鋼、鑄鐵、不銹鋼和鋁等；
涂層材料是Co、Ni和Fe基合金、碳化物、氧化鋁、陶瓷等。
3.特點：
涂敷材料受到基體材料極小的稀釋，基本保持其原有成分及性質不變，從而提供良好的耐磨損、抗腐蝕能力。
激光溶凝處理：
1.定義：
指用較高功率密度（10^4到10^6W/cm2）的激光束，在金屬表面掃描，使表層金屬熔化，隨后快速冷卻。
2.目的：
得到細微的接近均勻的表層組織，具有極好的抗腐蝕性能。
3.使用情況：
主要用于鑄鐵、工具鋼和某些能形成非晶體態的共晶等材料的處理
4.注意事項：
a.宜采用均強光斑，也可采用聚焦光斑或離散光斑。
b.溶凝處理一般不加增強激光吸收層。
激光沖擊強化：
1.定義：
用很高的功率密度的激光，在極短的時間內使金屬表面溫度迅速上升，達到汽化的程度，表面材料如此突然地被汽化，基體金屬就收到高壓應力沖擊波，從而使材料表層得以強化。
2.作用機理：
在材料表面產生高強度沖擊波，幅度大于為10000Pa，足以使金屬產生強烈的塑性變形，使激光沖擊區在顯微組織呈現位錯的纏結網絡。
3.適用材料：
改善鋼、鈦合金、鋁等。
4.目的：
a.提高材料表面強度、屈服強度以及疲勞壽命；
b.強化精加工后部件的非平坦表面，提高裂紋擴展抗力強度；
c.通過強化焊縫，減少焊接鋁管的壁厚。
