激光表面处理技术及其进展

激光表面表面处理技术及进展许彦明指导老师：宋世涛（河北科技师范学院理化学院化学0703班）摘要：激光具有巨大的技术潜力，在冶金和材料加工中发展迅速，应用广泛。激光表面处理由于其对工业和生产作出了巨大贡献，已成为飞速成长的重要加工技术领域。本文较系统地介绍了国内外激光表面处理技术的研究与应用近况，指出了这项技术今后需解决的问题。关键字：激光；表面处理；进展0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。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)不论激光束是如户J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。3激光表面熔化(LSM)激光表面熔化在满足表面某些需要，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显出独特优点。可用激光表面熔化得到细晶组织、非晶态和亚稳相，低的气孔率和光滑的表面，基体中较小的热影响区以及良好的基体与表面的结合。光表面熔化施于钢铁常产生硬度很高的表面，可有效提高耐磨性;施于有色金属常可获得十分细而均匀的组织广。激光熔化高速钢时，先使原始组织迅速熔解，以后冷却时可保留大量己铁素体和奥氏体，可明显地提高硬度.激光熔化铸铁时可在莱氏体区形成细组织涂层激光熔化镍基合金时，则可得到过饱和基体相的细枝晶结构，同时枝晶区域内细MC碳化物质点和共晶组成。美国NASAMarshen航天中心正致力于提高航天飞机(SSME)许多零件的寿命或修复完成每一次飞行任务之后的零件。主燃烧室中最关键的部件是其内衬(热壁)，它由锻造的NARloy—z制成.该合金在580一760℃的温度范围暴露96h后，可观察到晶界析出物及无析出区，这些都会降低主燃烧室内衬的寿命.一旦析出物形成，除了用熔化方法以外，很难用热处理的方法使其回到固溶体中去.激光上釉是细化锻造NARloy—z的显微组织的一种很有效的方法.用这种方法得到了很细的激光上釉显微组织，第二相均匀分布和错在铜基体中的扩展固溶体，使合金热稳定性和时效硬化得到很大改善。4激光表面合金化(LSA)许多铁合金等较难熔材料在接触激光功率密度达106W/mm2的受热表面时，足以达到107~109K/s的加热速度会发生熔化，其中的各种元素扩散进入零件液态金属的薄层内[7]。当冷却凝固时将形成固溶体和化合物夕表面发生合金化.最近有些国家对利用含Cr，Ni和Mo的铁基合金进行激光表面合金化的工艺产生极大兴趣，这种方法既可改变金属性能，又可节约材料、降低成本，可用普通碳钢等廉价材料获得表面耐磨、防蚀和抗高温氧化性很高的零件。用预置石墨粉习通过熔化或熔化后再进行渗碳形成碳化物的表面合金化可明显地提高表面硬度。阻碍激光表面合金化广泛应用的障碍，除设备投资大、成本高外，就是在材料处理过程中表面易产生气孔、裂纹以及表面平整度的下降.针对后者，研究者根据具体情况加强研究，已经摸索出一些可行的办法[8]。Ion用实验证明，激光表面合金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的办法。他使用的激光器功率为6kw，合金元素为铬，激光合金化层的厚度为0.5mm[9]，使耐腐蚀性大大提高。Mazulnde等用激光使1016低碳钢表面以铬、锰、碳合金化。结果证实，用激光加工过的材料在销一柱磨损试验中表现出比Stelhte6合金[10]还要好的耐磨性。作者认为，耐磨性的提高归因于树枝状组织和铬的碳化物，且枝晶越细，耐磨性越好.较低的激光功率和较高的激光一工件相对移动速率可以得到较高耐磨性的合金层。5激光表面冲击硬化(LSH)激光冲击硬化是前苏联学者在70年代初提出的。利用极高功率密度(大于10sw/cm，)激光束冲击(作用时间为10~85数量级甚至更短)工件表面[11]，使表层几微米的薄层迅速被加热汽化。在极短的时间内，金属蒸气由于受到外部介质的限制而在冲击区形成超高压冲击波(最大10GPa左右)。随着冲击波向基体内的传递，会在表层产生压应力区，并出现某些微观特性的改变，从而改善了金属的机械性能。Chan使用名义功率为10GW/cm2，脉冲时间为20~40ns的脉冲Q开关的YAG激光器使铸铁、7075和7475铝合金冲击硬化，冲击振幅为5.6GPa.两种铝合金的疲劳寿命均得到提高.其原因是表面存在残余压应力。文献[12]作者认为，为了得到表面残余压应力，应对热应力的作用和冲击波的作用加以区分。试验说明，使用吸收涂层后可以得到表面残余压应力.由于只有冲击波透人材料，该区域受张力变形，但受周围材料的约束，被约束的区域就是一个压应力区。如果热量进人该区域，膨胀将会导致变形，在冷却时将会产生张应力。激光冲击硬化可以得到与喷丸相近的残余应力水平，但表面损伤更小，且能得到更大的透入深度。6激光表面熔覆激光熔覆也称激光包覆，是利用一定功率密度的激光束照射(扫描)被覆金属表层上的外加纯金属或合金[13]，使之完全熔化，而基材金属表层微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层，从而使基材强化的工艺.激光熔覆的熔化主要发生在外加的纯金属或合金中，基材表层微熔的目的是使之与外加金属达封冶金结合，以增强包覆层与基材的结合力，并防止基材元素与包覆元素相互扩散而改变包覆层的成分和性能[13]。激光熔覆工艺主要有两种:一种是预置涂层法，是用电镀、真空蒸镀、等离子喷涂、火焰喷涂、粘结等方法将要熔覆的金属粉末事先涂覆在基材表面，然后用激光重熔，这种方法可称为激光涂覆;另一种是同步送料法，即在激光照射过程中，将粉末或条、丝状纯金属或合金连续送入熔池内，其中用气体将粉末以一定角度吹入熔池的方法称为激光喷涂。激光熔覆与合金化类似。可根据要求在表面性能差的低成本钢上制成耐磨、耐蚀、耐热、耐冲击等各种高性能表面，来代替昂贵的整体高级合金，以节约贵重金属材料。包覆层组织细小，一般无气孔和空穴。将硬质TIC颗粒覆于高速钢表面，通过激光包覆处理得到TIC熔化层，然后进行快速淬火。这样获得的表面包覆有极高硬度HV2100一2700，最高可达HV3100[14]。高速钢激光包覆的寿命为普通热处理钢的8.4倍[15]，最高达11.2倍。可以预料，这种处理方法将广泛用于加工难切削材料的刀具。较常采用的激光包覆与基体的组合形式有如下儿种上:不锈钢一软钢;不锈钢-铝;软钢一不锈钢，硬质合金一软钢;硬质合金一黄铜;铁硼一软钢;镍一软钢;铬一钦。除以上所述外，激光包覆工艺还具有以下独到的优点:可控制稀释度，减少局部加热时的热变形，精确控制零件外形尺寸，可获得良好热结合性和精细淬火组织。7激光施袖激光上釉是利用激光束熔化金属表面后再以106℃/s的冷速进行快速淬火和凝固夕使合金元素和碳的扩散受到抑制.这样一来，高温相随着其溶解度极限被保留到室温，得到过饱和固溶体.然后再重新加热进行弥散硬化处理。此亚稳相的热处理使金属的硬度和强度进一步提高.激光施釉的快速冷却提供了许多有用的冶金结构，如非晶态组织，即金属玻璃。“施釉”一词即由此而来.激光施釉层常包括非晶层与结晶层，结晶层内主要为枝晶区，内与基体相连，非晶层为表面层。激光施釉结合火焰喷涂、离子喷涂、离子沉积等沉积技术在控制组织、提高表面抗蚀、耐磨和性能方面日益显示出广阔的应用前景。冷态工具钢(50CrNi3，X1CrMOV12)、热态工具钢(NICrMoV，X32CrMoV33)和高速钢先进行离子涂WC一Co，然后激光施釉可显著提高硬度。电子材料、磁性材料和其它一些电气材料用激光施釉后用于检验仪表上极为理想[15]。8激光退火激光退火有两类:一类是激光诱导表面熔化，通常称“激光退火”;另一类是用激光束进行局部软化退火。激光退火常应用于半导体，可消除硅中离子注入所产生的严重膨胀损伤，如对石墨带加热器已应用激光退火，可在Si层上形成SiO2层。氧化物层通过别中氧离子注入形成。离子注入后表面Si层是高无序的，但尚不是非晶态，高温(1200℃)退火将保持此Si层的晶性[16]。曾对冷加工金属(CuNi4，SMnZ，SA14，CuNi78Z:，卫。，X12CrNi3和低碳钢)和时效硬化材料(AIMgsiZ)的局部软化进行了研究。变形冷加工金属被加热至某一不熔化或熔化温度时，会发生局部再结晶而降低硬度.可以预料，对整体材料的激光退火将会逐渐被应用到材料加工制造工业上。9激光气相沉积激光气相沉积可分为激光物理气相沉积和激光化学气相沉积，可以在基板上形成各种性能的薄膜，成膜速度快，质量好。如用激光物理气相沉积可以形成各种氧化物、氮化物的陶瓷镀膜和氧化物高温超导膜;用激光化学气相沉积可合成金刚石薄膜和非晶态硅。日·本已用激光化学气相沉积法生长出五氧化担薄膜，该薄膜具有极高的耐蚀性[17]。将分子束外延法和准分子激光技术结合起来，可以一层层地控制氧化物薄膜的形成过程。日本利用该技术已在Si上形成30层共90×10—10m厚的极薄氧化柿膜，一层厚约3×10—10m。目前，激光气相沉积技术的研究和应用正在蓬勃兴起。10激光表面处理过程中的残余应力激光表面处理可引起残余应力，但也可以降低或消除已产生的残余应力。残余应力常是由