第七章 激光表面强化

激光表面强化技术及其应用
激光表面强化技术是一项全新的技术，可以实现金属的表面改性，改善材料的表面性能，提高材料的耐磨性、腐蚀性和破坏性，延长外壳的使用寿命。

通常情况下，激光表面强化技术可以满足金属表面的改性需求，并且可以快速、灵活地制备。

激光表面强化技术可以应用于很多领域，如汽车配件表面加工、矿山机械表面加工、制冷管材表面加工和其他机械设备表面加工等。

在汽车配件表面加工中，激光表面强化技术可以提高碳素钢的耐磨性，改善碳素钢的表面性能，以及改善碳素钢表面的粗糙度。

而在矿山机械表面加工中，激光表面强化技术可以提高不锈质件的耐磨性，提升不锈钢件的表面质量，从而延长机械设备的使用寿命。

在制冷管材表面加工中，激光表面强化技术可以增加管材表面硬度，提高管材的耐腐蚀性和耐磨性，以及降低热膨胀系数，从而改善管材的使用性能。

此外，激光表面强化技术还可以应用于其他机械设备表面加工，如各种非金属件的表面加工，可以显著改善非金属件的表面性能。

激光表面强化技术的应用非常广泛，不仅可以改善金属和非金属表面的性能，还可以应用于多种机械设备的表面加工，提高机械设备的使用性能和使用寿命。

激光表面强化技术是未来金属表面加工技术进步的重要利器。

激光表面强化技术在大型轧辊制造中的应用前景激光表面强化技术（Laser surface strengthening technology）作为一种先进的材料加工技术，已在多个领域得到广泛应用。

在大型轧辊制造中，激光表面强化技术也显示出了巨大的潜力和应用前景。

本文将从技术原理、应用优势以及发展前景等方面进行探讨。

一、技术原理激光表面强化技术是利用激光对金属材料进行表面改性，增强其力学性能和耐磨性。

通过激光高能量的短时作用，可以使材料表面的温度迅速升高并迅速冷却，形成一个具有高硬度、高耐磨性的表面层。

这种表面层可以有效防止轧辊在使用过程中出现磨损、脱落等问题，提高其使用寿命和性能稳定性。

二、应用优势1. 提高轧辊的耐磨性：激光表面强化技术可以在轧辊表面形成一个坚固的耐磨层，有效抵抗摩擦和磨损。

这可以减少轧辊与金属材料之间的摩擦力和磨损，延长轧辊的使用寿命，降低生产成本。

2. 提高轧辊的强度和硬度：激光表面强化技术可以显著提高轧辊的强度和硬度，使其能够承受更大的压力和应力。

这对于处理高强度或高硬度金属材料具有重要意义，可以保证轧辊在高强度工作条件下的安全运行。

3. 提高产品表面的质量：通过激光表面强化技术处理后的轧辊，可以有效改善金属材料的表面质量，减少产品表面的缺陷和不均匀性。

这对于生产高质量、高精度的金属制品具有重要意义。

4. 提高生产效率：激光表面强化技术具有快速、精确的特点，可以在短时间内对轧辊表面进行处理。

相比传统的热处理和化学处理方法，激光表面强化技术能够显著缩短生产周期，提高生产效率。

三、发展前景激光表面强化技术在大型轧辊制造中的应用前景广阔。

随着现代工业生产对材料性能要求的不断提高，对轧辊的耐磨性、强度和硬度等方面也提出了更高的要求。

传统的热处理和化学处理方法已经不能满足这些要求，而激光表面强化技术则能够提供一种有效新颖的解决方案。

此外，随着激光技术的不断进步和发展，激光设备的性能和稳定性也得到了显著提升。

激光表面强化技术及其应用随着科技的不断发展，激光技术已经成为现代工业生产中不可或缺的一部分。

激光表面强化技术是近年来发展起来的一种新型表面处理技术，它可以使材料表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性等性能得到显著提高，从而提高材料的使用寿命和可靠性。

本文将从激光表面强化技术的原理、方法和应用方面进行探讨。

一、激光表面强化技术的原理激光表面强化技术是利用激光束高能量密度的特点，将激光束聚焦到材料表面，使其表面受到高温和高压的作用，从而改变其组织结构和化学性质，提高其硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能。

具体来说，激光束在材料表面产生高温和高压，使表面材料发生相变、熔化、蒸发等过程，同时还会激发材料中的原子、分子等产生化学反应，形成新的化合物或化学键，从而改变表面材料的化学性质。

这些变化使得材料表面的硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能得到显著提高。

二、激光表面强化技术的方法激光表面强化技术的方法主要分为以下几种：1. 激光淬火：利用激光束高能量密度的特点，将其聚焦到材料表面，使其表面迅速升温，然后快速冷却，从而使表面形成高硬度的淬火层。

这种方法适用于钢、铁等金属材料。

2. 激光熔覆：将激光束聚焦到材料表面，使其表面熔化，然后喷射一定量的粉末或线材，形成一层新的涂层。

这种方法适用于各种金属材料和陶瓷材料。

3. 激光表面改性：利用激光束高能量密度的特点，将其聚焦到材料表面，使其表面发生物理和化学变化，从而改变其表面性质。

这种方法适用于各种材料。

三、激光表面强化技术的应用激光表面强化技术具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面： 1. 汽车制造：激光表面强化技术可以提高汽车零部件的硬度和耐磨性，从而增加汽车的使用寿命和可靠性。

2. 航空航天制造：激光表面强化技术可以提高飞机发动机叶片、涡轮等零部件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高飞机的性能和可靠性。

3. 电子制造：激光表面强化技术可以提高电子器件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高电子器件的使用寿命和可靠性。

激光表面强化及再制造加工技术在工业领域激光表面强化及再制造加工技术是一种集光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术，因其特有的无污染、低能耗、易于自动控制等优势而迅速发展成为一种先进的表面加工技术。

该技术历经二十余年的进步，伴随着高功率激光器、装备智能化控制和材料技术的不断升级和改进，已越来越多应用到工业零部件的强化和再制造中。

一、激光表面强化及再制造加工技术分类及简介激光表面强化及再制造加工技术可以在不改变金属零件表面金属成分的条件下提高零件表面的机械性能，也可以对金属零件磨损或者拉伤的部位进行类同质熔覆修复、恢复形貌尺寸和性能，还可以对一些金属零件关键部位添加合金或者陶瓷材料进行表面改性，大大提高该部位防腐耐蚀、耐磨、高温抗疲劳等性能。

激光表面强化及再制造加工技术特点：无污染、可控性好、热影响区小、组织缺陷少、处理效果好、便于实现自动化。

国内外广泛使用的激光表面强化及再制造加工技术主要分三种：激光淬火、激光再制造（熔覆）、激光合金化。

以下对这三类技术及特点简单介绍：1.激光淬火技术采用高能量激光作为热源，使金属表面快热快冷，瞬间完成淬火过程，得到高硬度、超细的马氏体组织，提高表面的硬度及耐磨性，并且在表面形成压应力，提高疲劳强度。

图2-4为几种典型材料激光淬火层的组织和横断面硬度分布。

图1半导体激光淬火设备及淬火示意图图2GCr15激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度15mm/s）图342CrMo激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度10mm/s）图47CrSiMnMoV激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度10mm/s）激光淬火特点：变形小、形成残余压应力、硬度高、淬火层深度硬度可控、环保（无需水、油等淬火液）、易于实现自动化控制，该工艺不需添加功能合金材料。

2.激光合金化技术采用高能量激光作为热源，照射通过喷涂在工件表面预制好的超细金属或金属陶瓷合金化材料，使之在高能密度激光束作用下快速渗透熔凝，从而改变工件表面成分，获得组织细密、高耐磨合金层，大幅提高工件高温腐蚀条件下的耐磨性能。

激光表面加强与热办理的应用激光表面加强与热办理技术是近20年来展开起来的一种新式资料表面办理技术。

激光表面加强技术的原理是利用激光穿透能力极强的特色，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面快速奥氏体化，而后急速自冷淬火，金属表面快速被加强。

激光表面加强与热办理能够分为3类：一是激光照耀时金属不融化，不过组织发生变化，这种工艺主要为激光相变硬化(激光淬火)；二是激光照耀时金属融化，冷却后组织发生变化或参加其余元素改良表面性质，包含激光熔凝、激光合金化、激光非晶化和微晶化等；三是激光照耀时金属表面发生汽化，进而发生组织变化，这种工艺主要为激光冲击硬化。

上述各样激光热办理工艺共同的理论根基是激光与物质的互相作用规律及其金属学行为。

激光热办理是传统热办理技术的展开和增补，它能够解决其余表面办理方法没法解决或不好解决的资料加强问题。

经过激光办理后，铸层表层强度可达HRC60以上，中碳、高碳钢以及合金钢的表层硬度可达HRC70以上，进而提升其抗磨损、抗疲惫、耐腐化和防氧化等性能，延伸其使用寿命。

激光热办理在汽车行业应用极为宽泛，在很多车重点件上(如缸体．缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座或活塞环等)几乎都能够采HJ激光热办理。

相同，农用机车也应当宽泛使用。

在农业生产中，机器的工作条件是多种多样的，有些机器(犁、中耕机、播种机和收割机)直接在磨料介质中工作，使很多部件磨损很快。

另一方面，为了获取足够的强度，机器的资料用量较大，不单浪费资料，并且显得粗笨。

关于此类部件，激光硬化办理后的硬度比惯例淬火硬度高5%20%，激光合金化能够依据要求选择参加新资料，形成以基材为根基的新合金层，以获取满意的性能。

别的，因为办理后性能的提升，能够采用低性能的基材，进而减少了基材的质量。

1 激光表面技术发展背景一般情况下工程构件的失效大多发生在表面，主要由疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起，这一现象促使材料工作者对材料表面产生极大关注，因而使材料表面强化技术得到迅猛发展。

理想的材料是整体保持足够的韧性和强度，同时表面获得较高的、特定的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等。

由于激光具有极强的方向性,极高的单色性和相干性,因而具有极高的单色能量密度，是一种精密可控的高能量密度的热源，（）因此被越来越广泛地应用到军事、医学、通信和工业等领域，尤其是机械加工和材料加工方面很大进展。

70年代以来，激光表面强化技术逐渐发展起来，成为一种新型材料表面处理技术。

2 激光表面技术原理当高能激光束照射到材料表面时，激光被材料吸收转变成为热能，表层材料受热温度升高。

由于能量集中在一个很小的表面上，因此在短时间(10-1~10-7s)内材料就能升至高温(加热速度高达105~109e/s)，使表层材料发生固体相变、熔化甚至蒸发。

当切断或移开激光束后，材料表面快速冷却(冷速高达104e/s)，自然冷却就能实现表面强化。

在凝固过程中，受辐射表面由于产生晶粒细化、非稳态相和过饱和固溶体而具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

根据激光束与材料表面作用的功率密度，作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光表面强化。

激光辐照区的金属表面和光对金属穿透深度之间形成很薄的“热层”，激光在照射期间只对这一“热层”加热.，金属内部温度的变化依靠热传导。

这一“热层”可视为表面热源。

3 激光束表面强化的特点（1）激光功率密度大，能量高，加热速度快(105~109e/s)，加热温度高，基体自然冷却速度高快>104e/s)，生产效率高。

（2）表面强化层组织细小，硬度高，表面光洁无氧化，具有高的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性。

（3）热影响区小，工件变形程度小。

（4）可局部加热，对某些形状复杂，非对称的零件及特殊部位均可进行表面强化处理，如深孔内壁、盲孔底部等。

激光表面强化技术在钢铁厂轧辊维护与管理中的应用激光表面强化技术（Laser Surface Strengthening Technology）是一种通过激光作用下的热和热变形来改善材料表面性能的先进技术。

在钢铁厂轧辊维护与管理中，激光表面强化技术已被广泛应用，并取得了显著的效果。

本文将重点探讨激光表面强化技术在轧辊维护与管理中的应用。

钢铁厂轧辊作为重要的生产设备，其表面质量和使用寿命直接影响到钢材生产的质量和产能。

而长期的使用和摩擦会导致轧辊表面退火和疲劳损伤，从而降低了轧辊的强度和硬度，进而影响轧制质量和生产效益。

因此，如何有效地维护和管理轧辊成为钢铁企业亟需解决的问题。

激光表面强化技术通过激光能量的高浓度和集中作用，能够在轧辊表面形成极高的温度梯度和应力梯度，从而改善其表面硬ness和强度。

具体来说，激光对轧辊表面进行扫描，使其迅速加热至临界温度以上，并通过快速冷却形成致密的表面层。

这一过程能够消除轧辊表面的氧化物和缺陷，提高轧辊的硬度、强度和疲劳寿命。

首先，激光表面强化技术在轧辊维护中可以修复轧辊表面的缺陷和损伤。

经过长时间的使用，轧辊表面会出现磨损、裂纹和断裂等问题，严重影响轧辊的使用寿命和质量。

传统的修复方法通常需要大量的材料投入和较长的修复周期，而激光表面强化技术可以通过局部加热的方式，迅速修复轧辊表面的缺陷和损伤，使其重新获得理想的表面质量和强度。

这种快速、精准的修复方式大大提高了轧辊的可用性和生产效率。

其次，激光表面强化技术在轧辊管理中能够延长轧辊的使用寿命。

传统的轧辊管理通常是定期更换或修复受损的轧辊，成本较高且操作繁琐。

而激光表面强化技术可以有效地提高轧辊的硬度和疲劳寿命，延缓其表面的磨损和疲劳破坏。

通过定期对轧辊进行激光表面强化处理，可以使轧辊在相同工况下承受更大的载荷和摩擦，延长轧辊的使用寿命，从而降低了钢铁企业的维护成本和生产停机时间。

此外，激光表面强化技术还能够提高轧辊的质量和生产效率。

第八节模具表面激光强化处理激光表面强化处理工艺主要包括有表面淬火、熔凝、合金化、涂覆等技术。

在模具表面强化中，激光表面淬火应用最为普遍。

激光表面淬火其表面形成了一层硬度极高的特殊淬火组织。

其硬度高，耐磨性可提高，淬硬层深度可达0.1～3.5mm，大大延长了模具的使用寿命；适合于形状复杂、精加工后不易采用其他方法强化的模具处理。

而激光表面熔凝基本原理是利用激光束对模具表面进行熔融和激冷处理，从而使所获的组织非常细小，甚至可能获得非晶态组织，因而表面强化性能更高，对低碳钢、中碳钢、低合金工具钢等处理后，其表面性能几乎可与高强度模具钢相媲美，激光强化处理模具的使用寿命如表 1。

表 1 激光强化处理模具的使用寿命模具名称模具材料原处理工艺激光处理后寿命提高倍数山字型硅钢片铁芯冲模Cr12 淬火+ 低温回火33%B9 硅钢片铁芯冲模Cr12 淬火+ 低温回火60%裁纸刀T10 调质50 倍，达 300 万冲次铝饭盒盖拉伸模45 火焰淬火6～9 倍一、激光表面淬火强化的定义：当具有一定功率的激光束以一定的扫描速度照射到经过黑化处理的模具工作表面时，将使模具工作表面在很短时间内由于吸收激光的能量而急剧升温。

当激光束移开时，模具工作表面由基材自身传导而迅速冷却，从而形成具有一定性能的表面强化层，其硬度可比常规淬火提高15%～20%，此外还具有淬火组织细小、耐磨性高、节能效果显着以及可改善工作条件等优点。

二、激光表面淬火强化特点：1）激光淬火层硬度达HV800～1100，具有极好的耐磨性和抗拉伤能力，寿命较火焰淬火提高5～50倍。

2）激光淬火层硬度、层深均匀，与基体有很强的结合力。

3）通过选择激光波长调节激光功率等手段，能灵活地对复杂形状工件或工件局部部位实施非接触性急热、急冷，加热和冷却速度高：105～109℃/S。

该技术易控制处理范围，热影响区小，激光淬火处理后工件产生的残余应力及变形很小，无须作任何校正和加工处理。

激光表面强化技术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(104~10W／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、金属组织的改变和激光作用的冷却等。

它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。

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

一、激光表面强化技术常用的激光表面强化技术主要有三种：激光表面淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆与合金化。

激光表面淬火是激光表面处理中最成熟、应用最广泛的一种技术。

将激光照射到具有固态相变的铁碳合金工件表面上，使表面温度迅速升到材料相变温度；当激光移开后，表层被处于常温的内层材料迅速冷却而自行淬火，从而使表层组织结构和性能发生明显变化。

激光淬火处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高5％～20％．可获得极细的硬化层组织。

淬硬层一般在0.1～1.2mm。

可以对形状复杂的零件和不能用其它常规方法处理的零件进行局部硬化处理．如具有沟槽的零件。

由于激光加热速度快，因而热影响区小．淬火应力及变形小。

一般认为激光淬火处理几乎不产生变形，但厚度小于5mm的零件其变形仍不可忽视。

激光熔凝淬火是以高功率密度的激光，在极短的时间内与金属相互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到熔化状态。

随后，借助冷态金属基体的吸热和传导作用，使得已熔化的表层金属快速凝固，产生细小的铸态组织。

由于激光熔凝淬火允许金属表面熔化，实际操作时可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的扫描速度，因此激光熔凝淬硬层深度比前者更深，一般在1.5～2.5mm。

激光熔凝淬火的不足之处在于，激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低的幅度取决于激光加工的工艺参数，而激光表面淬火可以基本保持工件表面粗糙度不变。