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激光表面处理技术综述及最新进展

导读: 激光在金属热处理方面取得成功,标志此技术的应用进人了新灼阶段。随着大功率激光器的研制成功与不断完善,这一新工艺用于汽车转向器表面处理的生产线。

  前言

  激光的出现时近代物理学的一个重大进展。第一台激光器于60年代初问世,对激光表面热处理工艺的研究早在激光器诞生后不久就已经开始,但直到60年代末、70年代初才在热处理生产中获得应用。

  激光在金属热处理方面取得成功,标志此技术的应用进人了新灼阶段。随着大功率激光器的研制成功与不断完善,这一新工艺用于汽车转向器表面处理的生产线[1]。国内经过“六五”计划的联合攻关,已在汽缸套等零部件的表面热处理上获得成功,取得了一批科研成果。随之而发展的表面涂覆(cladding),表面上釉(Glazing)及表面合金化(SurfaeeAlloing)等工艺[2]也取得了相当大的进展。与上述工艺相比较,激光表面热处理是当前比较成熟、应用比较广泛的工艺。

  激光表面处理技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术,包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等,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组合,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。

  1   激光表面处理技术的特点[3]

  1)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。该技术易控制处理范围,热影响区小,工件产生的残余应力及变形很小。

  2)可在大气、真空及各种气氛中处理,制约条件少,且不造成化学污染。

  3)通常,激光表面处理的改性效果比普通处理方法更显著。

  4)激光束能量集中,密度大,速度快,效率高,成本低。

  5)可缩短工艺流程,处理过程中工件可以运动,故特别适合组织自动化处理线。

  6)激光束便于通过导光系统准确地输人与定位,亦能导向多个工作台,可大大提高激光的使用率和处理的效率。

  7)激光表面处理尤其适用于大批量处理生产线,其成本比传统的表面热处理低。

  2   激光表面相变应化(LTH)

  不论激光束是如何产生的,激光束仅是一加热金属的热源,金属经激光热处理后,一般不出现异常的治全变化。相变硬化是一种儿乎无尺寸变化而能达到冶金相变的加工技术。利用激光束可以选择小面积加热和对需要部位硬化。实现激光相变硬化有三个基本条件仁:第一,金属硬化区必须达到奥氏体化温度;第二,在加热与冷却周期内硬化区在奥氏体化温度区应保持足够长的时间,以保证碳能充分的扩散;第三,应具有足够大的自身淬火能力,其冷却速度应超过临界冷却速度。金属经激光相变硬化的冶金变化不同于普通淬火之处有以下几点:

  (1)激光相变硬化后的硬度高于普通淬火。其原因一方面由于在很高抑制条件下形成马氏体,另一方面则由于极快的加热和冷却速度使获得变形马氏体[4]。

  (2)激光相变硬化能力决定于所处理的材料。一般地说,凡适合于普通淬火的材料也适合于激光相变硬化。但对低碳钢当其碳含量在0.2%以下时普通淬火一般难于淬硬[5],而激光相变硬化却可以极快冷却速度使其淬硬。对具有石墨组织的铸铁普通淬火亦不易淬硬,但激光相变硬化也可使其淬硬,尽管在如此短的扩散时间内完成。

  (3)对于含有分散球状碳化物的钢或含大量石墨不含珠光体的铸铁,由于相变时间太短,激光相变硬化难以使其淬硬。

  工具钢和高速钢的激光表面硬化引起许多研究者的兴趣[6]。Brover[13]用脉冲激光器研究了不同组织的R6MS激光高温快速硬化的可能性.实验证明,不同激光能量水平和加热速度与不同原始组织配合,可以得到不同程度和均匀性的固溶体,从而得到在服役条件下所需要的优化的数值。Mulin等[14]用l000J的激光器硬化12X18N9T,13N5A砧A和1201工具钢。激光硬化的工具钢的耐磨性是非硬化工具的20一25倍,是带有氮化钦表面涂层的2一4倍。

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