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BEIHANG UNIVERSITY BEIHANG UNIVERSITY 激光表面改性技术 激光表面改性技术 (1)能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化： (2)能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形 小； (3)处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线： (4)改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低； (5)通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材； (6)由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力于发展安全设施。 激光表面改性技术的分类 激光表面改性技术的分类方法很多，通常可以根据其是否改变基材成分分成两大类： 激光表面改性技术 不改变基材成分 改变基材成分 激光淬火(激光相变硬化) 激光极化 激光熔凝淬火 激光冲击硬化 激光熔覆 激光合金化 激光清洗 激光组织细化 激光物理气象沉积 激光增强电镀 激光化学气相沉积 激光退火 激光非晶化 激光诱导液相沉积 激光冲击硬化 利用高能密度激光束照射金属材料表面，由于金属升华气化而急速膨胀，产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波，从而提高了金属材料的物理机械性能。 激光冲击硬化原理示意图 （1）激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能。 （2）大大提高材料的强度和硬度。 （3）最大的优点在于明显改善材料的抗疲劳性能。 （由于激光冲击强化后使材料产生的变形很小，不产生热影响区，也不改变材料的表面粗糙度，非常适合于微孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。） （4）与传统的喷丸、锻打相比，洁净、无公害，可处理圆角、拐角等部位 优点 激光冲击硬化原理 过程:材料表面局部升温、汽化、电离，产生高压力 (GPa)的等离子体膨胀，对材料表面造成冲击波或应力波。 功率密度为107~1011w/cm2。 作用时间为几ps到几百ns。 典型冲击强化工艺参数:铷“玻璃激光器，输出能量80~100J，脉宽3~30ns，光斑直径1 cm。 主要是力的作用，热作用可忽略不计，防止裂缝生长和发展，细化晶粒一锻压效果。 分类 有约束层 一激光束透过水或玻璃被吸收层吸收，吸收层部分汽化形成等离子体，由于等离子体被约束在约束层和试样之间，根据理想气体的状态方程，在有约束层时可以比无约束层时获得更高的冲击波峰压 无约束层 一工艺简单 主要参数 激光功率 脉冲频率 脉冲持续时间 光斑尺寸 约束层选择 冲击波峰压 当将等离子体看作理想气体，激光为高斯光束时，冲击波峰压P可表示为P=B I1/2 玻璃作为约束层时，B=21; 水，B=10. 1 冲击波峰压只与激光功率密度有关，与激光的脉宽和波长无关 强化机制 表面硬度提高机理: 一对铝合金试样分析后认为，试样中存在的高密度位错是硬度提高的主要原因； 一对各种铁基合金，冲击后位相的转变如y相至α相转变，也是材料硬度提高的一个原因。对不锈钢激光冲击处理后发现，马氏体的转变使表面硬度提高150%~200%； 一冲击处理后材料结构的改变例如缠结也能极大地提高表面硬度。 国内外现状与发展 1970年贝尔实验室首次开始 两个方向:一小能量，小光斑，短脉冲，如:20mJ YAG，脉宽150ps, 光斑直径0.1 mm, I=1012w/cm2； 一高能量，超短脉冲； 主要研究方向:小功率、约束层，功率密度越来越高 主要用水和玻璃作为约束层 一玻璃的阻扰高，但装夹困难且碎片难以收集 一水操作方便 存在的主要问题 激光冲击效果的无损检测。目前测表面残余压应办主要使用X射线衍射仪，这种方法设备昂贵，需由专业人员操作，只适合实验室使用。 新裂约束层的选择研究。 冲击参数的优化研究。 高能量、高频率激光器的研制。 * BEIHANG UNIVERSITY BEIHANG UNIVERSITY *