第十一章 高能束表面改性技术之激光束表面改性技术)

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。

表面改性技术班级：材料092姓名：朱光辉学号：109012042 课程: 现代表面技术表面改性技术概述：表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。

材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。

表面改性技术的研究和应用已有多年。

70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。

表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。

（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。

（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。

（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。

表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。

表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。

表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。

喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。

已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。

喷丸强化原理：（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。

激光表面改性技术的研究与其应用激光表面改性技术的研究与应用摘要：激光本身具有很大的发展潜力，产生激光束的装置在品种和效率上都有很大的发展潜力。

利用激光表面改性技术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结合，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。

本文从激光表面改性的技术特点及先进制造业的发展需求岀发，论述了激光表面改性技术的特点及其在半导体表面改性、智能制造及柔性加工等领域的研究与应用。

关键词：激光表面改性；激光熔覆；激光表面相变硬化；复合处理；柔性制造激光表面改性技术是材料表面工程技术最新发展的领域之一。

这项技术主要包括激光表面相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光冲击硬化、激光非晶化及微精化等多种工艺。

其中，激光相变硬化和激光熔覆是目前国内外研究和应用最多的两种工艺。

激光表面相变硬化：与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面进行硬化处理。

激光熔覆:是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光幅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，与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。

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。

1、激光表面改性的技术特点激光表面改性是当前材料工程学科的重要方向之一，被誉为光加工时代的一个标志性技术，各国(尤其是发达国家)均予以重点发展。

其高效率、髙效益、高增长及低消耗、无污染的特点，符合材料加工的发展需要。

激光束表面改性技术摘要：激光束表面改性技术在改善材料表面性能,提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。

它作用于材料表面使得材料的表面性能得到了明显的提高，随着研究的深入和技术的逐渐成熟，表面改性技术在工业领域中的应用越来广泛，目前进行材料表面改性的工艺有激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化，本文就其工艺方法进行了综述。

一、引言激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但是直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用。

它是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术，用激光的高辐射亮度，高方向性，高单色性特点，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, 使金属材料表面在瞬间被加热或熔化后高速冷却，来实现其表面改性的工艺方法。

二、激光相变硬化激光表面相变硬化又称激光淬火，它是以104～105W/cm2高能功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度，使受激光束作用的工件表面部位温度迅速上升到相变点以上，形成奥氏体，并通过仍处于冷却态的基体与加热区之间形成的极高的温度梯度的热传导，一旦激光停止照射，则以105℃/s的速度冷却，实现自冷淬火，形成表面相变硬化层。

三、激光熔覆激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面，使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。

这项技术始于1974年, Gnanamuthu申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利[3]。

经过二十几年的发展, 激光熔覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。

影响激光熔覆的因素主要有熔覆材料的原始成分、基体材料成分、熔覆的工艺参数。

激光熔覆技术示意图见图11.短型光束或高斯型光束2.气动送粉3.测量孔4.振动器5.粉末漏斗箱6.二氧化碳气体激光束高频振动7样品运动8.样品9.熔覆厚度10.熔覆层图1激光熔覆技术示意图⑴激光熔覆材料激光熔覆材料主要有镍基、钴基、铁基自熔性合金和金属陶瓷等类型；激光熔覆材料的选择，主要考虑使用性能及工艺性能等因素。

2014项目申请表主要性能、特点、应用范围及市场前景：一、主要性能、特点激光毛化技术（Laser Texturing或Laser Surface Texturing，LT、LST）是将经过特殊调制的高能量密度脉冲激光束聚焦后照射到材料表面，材料吸收激光能量后温度升高，并产生熔化、气化形成光致等离子体等阶段。

使材料在表面一个微小区域内熔化，形成熔池。

在表面张力或辅助气体的作用下，熔池会发生变形。

当光束停止照射时，由于快速的热传导，熔池会很快凝固，这样就会形成一个边缘微凸的毛化坑，如果需要还可以将一定成分的辅助气体吹向熔池，以得到特定形貌的毛化坑。

通过控制激光束和材料的相对运动，就可以在材料表面形成一系列均匀分布的毛化坑。

材料表面的激光毛化过程中的组织变化，相当于是一次快速激光淬火，即相变硬化过程，可以提高被加工材料（如轧辊等）的表面硬度及耐磨性，从而提高其使用寿命。

与传统的喷丸毛化处理及电火花毛化处理技术相比，激光毛化技术具有如下特点：1.可控性高，通过控制激光毛化过程及辅助气体量的大小，在材料表面可以得到任意的毛化形貌及粗糙度；2.环境友好，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，可通过改变激光毛化的气体氛围或通过在需毛化的材料表面预铺设相应的材料，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.工艺流程简约，激光毛化对材料表面要求较低，无需预处理；5.加工速度快，性价比高；6.加工材料不受限制，激光毛化技术是利用激光热效应的原理，可在任意金属及非金属表面实现毛化处理；7.克服毛化过程中出现的划痕、边浪。

二、应用范围及市场前景在工业生产微细化、精密化、智能化、自动化的快速发展的今天，涉及了光学、摩擦学、生物医学、材料学、流体动力学等，具有高可控性、高效率、高性能、高性价比、高附加值和环境友好特性的激光毛化技术，适用于任意材料的表面毛化处理领域，如钢铁轧板及轧辊的表面毛化，具有极好的市场及发展前景。

激光表面改性技术及其应用综述德耀（理工大学材料学院，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Technology of Laser Surfacing Modificationand It’s Application are ReviewLi Deyao(Department of Materials, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)Abstract: Laser surface modification is a special and effective way of material surface treatment, which is widespread use in industrial production. This paper gives a pendium of the research and the development situation of laser surface modification, in particular, it focuses on several aspects of the following: laser surface hardening, laser fusing together, laser surface alloying and laser cladding, and its recent development status are also discussed. At last, the paper describes the existing problems and development prospect of laser surface modification.Keywords:laser surface modification; laser cladding; laser fusing together; laser surface alloying; laser cladding; 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。

表面改性技术在表面分析中的应用随着科技的发展，表面改性技术已经被广泛应用于各个领域，尤其是在表面分析的领域中。

表面改性技术可以通过改变材料表面的物理和化学性质来达到一定的表面改性效果，从而提高材料的性能和应用价值。

本文将介绍表面改性技术的基本原理和常用方法，并探讨其在表面分析中的应用。

一、表面改性技术的基本原理和常用方法表面改性技术可以通过改变材料的表面结构和组成来实现不同的表面改性效果，从而达到提高材料性能的目的。

表面改性技术的原理主要包括物理和化学两个方面。

1. 物理表面改性技术物理表面改性技术主要是通过机械方式改变材料表面的物理状态，从而实现表面改性效果。

其中包括以下几种常用方法：（1）轧制通过轧制可以改变材料表面的形态与结构，进而改变其物理和化学性质。

轧制可以使材料表面的晶体结构产生微观改变，从而提高材料的硬度、韧性和强度等性能。

（2）打磨打磨可以通过切削、抛光等方式改变材料表面的形态和结构，产生不同的表面改性效果。

打磨可以使材料表面变得光滑，从而提高其耐磨性、耐腐蚀性和导电性等性能。

（3）喷砂喷砂可以通过高速喷射砂粒对材料表面进行加工，从而改变其表面形态和结构。

喷砂可以使材料表面产生不同程度的粗糙度，从而改变其摩擦系数、润滑性和防滑性等性能。

2. 化学表面改性技术化学表面改性技术主要是通过化学反应改变材料表面的化学性质，进而实现表面改性效果。

其中包括以下几种常用方法：（1）离子注入离子注入是一种将离子束注入材料表面的方法，它可以在材料表面形成一定厚度的改性层，从而改变材料表面的化学组成和结构，实现表面改性效果。

离子注入可以实现不同种类和能量的离子注入，从而改变材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。

（2）溅射溅射是一种通过高速离子撞击材料表面来实现表面改性的方法，其原理类似于离子注入。

溅射可以改变材料表面的化学成分和结构，从而提高其硬度、耐磨性和导电性等性能。

（3）电化学氧化电化学氧化是一种通过电化学反应在材料表面形成氧化层的方法，其可以改变材料表面的化学组成和结构，实现表面改性效果。