激光表面处理技术的应用与优势

激光具有高功率密度、高方向性和高单色性的特点,利用激光的特点对零件表面进行强化处理,可以改变零件表面层的成分和微观结构,提高零件表面的耐磨性、耐腐蚀性及抗疲劳性。

激光表面强化处理具有其他表面处理技术不易达到的特点,它适用材料广、变形小、硬化均匀。 快速、硬度高、硬化深度可精确控制。 激光表面处理已用于汽车、机床、刀具、模具,以及冶金、石油机械的生产和修复中。

(1）激光表面处理原理

激光器发射出来的光,通过聚焦集中到一个极小的范围内,可以获得极高的功率密度,一般可达到108 ～1010 W/cm2,焦斑中心温度可达到几千摄氏度以上。

激光束向金属表面层进行热传递,金属表层与其所吸引的激光进行光热转换。 由于光子穿过金属的能力极低,仅能使金属表面的一薄层温度升高,在激光加热过程中,金属表面极薄层的温度在微秒级内就能达到相变或熔化温度。

(2）激光表面处理设备与技术

激光表面处理设备包括:激光器、功率计、导光聚集系统、工作台、数控系统和编程软件。激光器是主要设备,主要有固体激光器(如红宝石激光器、钕玻璃激光器)、气体激光器(如CO2 气体激光器、准分子激光器)、液体激光器等。

常用的激光表面强化处理技术有:激光表面固态相变硬化、激光表面合金化、激光表面涂敷、激光表面“上光”等。

1)激光表面固态相变硬化(www.xing528.com)

具有固态相变的合金(碳钢、灰铸铁及大部分合金)在高能激光束的作用下,使金属表面的温度迅速升到奥氏体转变温度,激光扫描后,工件表层温度快速冷却,如同淬火。 在0.1 ～1 mm 表层内获得超细化的马氏体,硬度比普通淬火高15% ～20%,而且只是表层受热,零件变形很小。 用于处理导轨、曲轴、汽缸套内壁、齿轮和轴承圈等,效果十分明显。 例如,美国通用公司在生产线上使用1 台1 kW CO2 激光器,每分钟淬12 个轴承圈;又如,一汽集团采用2 kW CO2 激光器对组合机导轨进行淬火,其硬度和耐磨性远高于高频淬火的组织。

2)激光表面合金化

根据对零件表面性能的要求,先用电镀或喷涂等技术将所需要的合金元素涂敷在金属表面,再用激光照射该表面,也可以涂敷和照射同时进行。 利用高能激光束进行加热,使涂敷合金元素和基体表面薄层同时熔化、混合,在表层形成一种组织和化学成分不同的新的合金材料。 这样,可以在低性能材料上对有较高性能要求的部位进行表面合金化处理,以提高耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性等性能。 它比渗碳、渗氮、气相沉积等方法处理周期要短许多。

3)激光表面涂敷

激光表面涂敷是将粉末状涂敷材料预先配置好并黏结在需要的部位,用高功率密度的激光加热,使之全部熔化,同时使基体表面微熔,激光束移开后,表面迅速凝结,从而形成与基体金属牢固结合的具有特殊性能的涂敷层。 该工艺可在价格低廉的金属材料上覆盖一层具有特殊性能的材料,与热喷涂、电镀等工艺相比较,操作简单,加工周期短,节省材料。 例如,在刀具上涂敷碳化钨或碳化钛、阀门上涂敷Co-Ni 合金等,既可满足性能要求,又可节约大量高性能的材料;又如,用激光进行表面陶瓷涂敷,可避免热喷涂方法使涂层内有过多的气孔、熔渣夹杂、微观裂纹和涂层结合强度低等缺点,可获得质量高的涂层,延长零件的使用寿命。 激光还可以用在有色金属表面涂敷非金属涂层,如在铝合金表面用激光涂敷硅粉和MoS2,可获得较薄的硬化层(0.10 ～0.20 mm),硬度大大高于基体,但要注意铝合金的预热温度,以300 ～350 ℃为宜。

4)激光“上光”

用高能量的激光束使具有固态相变的金属表层快速熔化,激光移开后,熔化金属快速凝固,获得超细的晶体结构,熔合表层原有的缺陷和微裂纹,有利于提高抗腐蚀性能和抗疲劳性能,特别对铸件效果十分明显。 如柴油机缸套外壁经激光“上光”处理后,表面铸态结构变成超细马氏体和渗碳体的混合结构,大大提高了耐腐蚀的能力。