淺談激光對材料表面處理的作用分析論文

　　激光對金屬材料表面的處理，方法多種多樣，得到的效果也不一樣，但其在很多方面可以滿足人們對材料的一些特殊要求。如相對硬化技術(shù)可以讓材料的硬度和耐磨性得到很大的提高，并且不會改變材料原有的形狀;玻璃化技術(shù)可以讓金屬表面玻璃化;均勻化技術(shù)可以提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蝕性，但是表面會有一定熔化，所以形狀會發(fā)生一些變化;表面合金化技術(shù)會讓材料表面有一層新合金;激光噴漆技術(shù)表面會有一層新材料。但是由于技術(shù)發(fā)展歷史比較短，所以對其理論和實踐都還需進一步地探討，就這個問題，文章展開分析。

　　1、激光對材料表面處理的原理

　　激光具有高能量密度的特性，而這也就是激光對材料表面處理的原理。在材料表面作用激光光束，當(dāng)金屬里的自由電子和激光光子互相碰闖時，會提高金屬帶電子的能量。能量會進一步轉(zhuǎn)換為晶格振動能，體現(xiàn)出熱量的形式。要穿透金屬光子的能量還達不到上限，金屬表面就會集中許多能量，溫度會迅速升高至熔點和相變點溫度，再加上金屬導(dǎo)熱性能好的原理，基體會迅速接收到散發(fā)的熱量，形成了很高的冷卻效果，這樣材料表面結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)結(jié)晶，并均勻分布合金元素，從而提高了硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

　　激光對材料表面處理效果的三要素，也是三個重要的參數(shù)，分別是激光功率、光束尺寸和掃描速率。由于這三個要素直接決定了熔化寬帶和熔化深度，而熔化寬度和熔化深度又直接影響材料表面的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和成分等等。激光功率增加熔化深度也會隨著線性增加，熔化寬度直接由光束尺寸所決定，熔化深度和熔化寬度會隨著掃描速率提升而下降。而在一定功率下，功率密度和光束的面積成反比，合理的選擇三個要素對材料處理的工藝效果會不同。

　　2、激光對材料表面處理種類

　　2.1 激光對材料表面的掃描技術(shù)

　　把材料的表面用能量很高的激光束掃描過后，材料表面局部會先熔化，而這就會加快材料的熔化速度。按溫度在材料表面的高低，可以分為兩種激光掃描技術(shù)，激光熔凝技術(shù)和激光相變技術(shù)。其利用的是材料晶體在不同溫度下會有不同的原理，然后迅速冷卻高溫，會形成介穩(wěn)的結(jié)構(gòu)。在材料表面用合適的激光束照射，讓照射區(qū)的溫度最快提升到一定溫度，并使淬火的溫度小于一定溫度小于熔化溫度，保持一定的時間，然后迅速冷卻，原子就沒有時間恢復(fù)到低溫時的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而形成介穩(wěn)結(jié)構(gòu)。在這一過程中還注意冷卻時候一定要迅速，硬化深度誤差一定要小，溫度保持時間一定要確定在最小保留時間。

　　2.2 激光表面合金化

　　把少量合金元素涂抹在材料表面，然后在表面用激光加熱進行熔化，溫度達到合金元素與材料的熔化溫度，使兩者在材料表面充分地混合，冷卻后表面形成合金。

　　2.3 激光表面均勻化

　　把材料表熔化，把材料表面的所有晶體都溶解開來，同時迅速淬火，達到各個晶體相互混淆不能被明顯區(qū)分。由于材料表面的張力作用，所以對過程進行的控制，可以有效地減少張力作用。粗顆粒的材料進行這樣處理后晶粒的抗腐蝕性會得到提高。相對于含有碳化物的工具，通過這樣的處理過后，表面的硬度會大大提高。

　　2.4 激光表面玻璃化

　　把材料表面以20——100 厘米每秒的激光束熔化表面后獲得10度每秒的淬火速度，這樣足以熔化液體超冷卻到玻璃狀態(tài)的溫度，接著材料表面會呈現(xiàn)出玻璃狀結(jié)構(gòu)。

　　2.5 激光噴鍍

　　將一種噴鍍粉末吹入有激光熔化材料的表層中，由此生成新表面材料的過程，就是“激光噴鍍”。這樣可以清除表面的砂眼并且提高噴鍍材料粉末在表面的粘附力度，所以經(jīng)過激光噴鍍形成的材質(zhì)表層比一般的牢固，不僅成為了獨立的工藝，還方便對氣體噴鍍的善后處理。 在此工藝過程中，需要小心控制噴鍍粉末的流速。若流速過大，會降低粉末在材料表面的沉淀速率;若流速過小，則會造成鍍層過于稀薄。

　　2.6 激光表面合金化的抗腐蝕性

　　激光表面合金化是利用激光熔化與表面涂覆的合金而發(fā)生合金化反應(yīng)形成合金的方法。依靠添加的抗腐蝕性合金元素與表面晶粒細小化來提高材料的抗腐蝕性能。 在處理工藝上，一般采用的是雙束工藝，通俗的做法就是先用一束激光進行合金化處理，然后再用第二束激光進行均勻化處理，讓合金化過程中尚未熔化的合金成分充分地融入其中。此工藝經(jīng)過驗證，也確實證明了雙束工藝擁有均勻化的作用。

　　3、結(jié)束語

　　隨著現(xiàn)代生活的高速發(fā)展，越來越多的激光處理材料出現(xiàn)在人們的生活中，這證明激光處理材料對于人類社會的發(fā)展非常重要。相對未經(jīng)過激光處理的材料來說，激光處理材料無化學(xué)污染，表面硬化可以被精確控制，抗腐蝕性也比未經(jīng)過激光處理的材料更加強大，多樣化的激光處理方式增加了工藝多樣化�？梢娂す鈱τ诓牧媳砻嫣幚淼淖饔脤θ藗儊碚f是必不可少的，由于這類工藝出現(xiàn)的時間較短，所以有的地方也有待加強�？傊�，通過不地的改良和改善，不斷創(chuàng)新新的工藝，會讓激光對材料表面的處理技藝對人類的影響越來越大，同時也會使材料處理方式的技藝更加完美。

　　【拓展內(nèi)容】

　　關(guān)于金屬材料表面的激光拋光研究進展的論文

　　[摘要]金屬材料表面的激光拋光，作為一種新型的激光加工工藝，具有拋光效率高、材料去除效果好、材料利用率高等優(yōu)點。在介紹了激光拋光材料類型的基礎(chǔ)上，對比分析了金屬材料拋光過程中所使用激光器的類型，論述了激光拋光金屬材料表面過程中的理論模型方法，詳細總結(jié)了激光拋光金屬表面的工藝參數(shù)和拋光效果，并對激光拋光金屬材料的現(xiàn)狀和發(fā)展方向進行了評價和展望。

　　[關(guān)鍵詞]材料 金屬材料 激光加工 拋光 理論模型 工藝參數(shù)

　　1、激光拋光金屬材料類型

　　1.1模具鋼、工具鋼和不銹鋼材料的激光拋光

　　激光拋光金屬的研究，目前應(yīng)用在模具鋼的報道最多。最早提出將激光拋光應(yīng)用在X40Crl3模具鋼表面，并通過實驗得到平整光滑的拋光表面。選擇注塑模鑲件中所用的，硬度為62HRC的DINl.2379工具鋼來進行激光拋光實驗。做出了很多工作，他們選擇AISI-01冷作模具鋼。采用激光，對經(jīng)過電火花加工處理的C45鋼、X40CrMoV51工具鋼進行了拋光研究。同時采用具有52HRC硬度的DIN1.2344工具鋼和激光燒結(jié)的AISI 420滲銅不銹鋼來進行激光拋光實驗。研究了s7工具鋼材料的激光拋光特性。使用AISI H13模具鋼來進行激光拋光實驗，選擇Fe，Al，Ti和304不銹鋼幾種金屬材料進行了拋光對比實驗研究。作為模具和汽車行業(yè)中經(jīng)常用到的球墨鑄鐵材料，由于其具有游離的石墨形態(tài)、較高的熔化溫度，因此一般很難被拋光，使用GGG70L球墨鑄鐵材料來進行激光拋光實驗研究驗證。Smith等[7，36]使用304不銹鋼模具來作為拋光材料，也采用304不銹鋼來研究金屬表面在激光拋光作用下的熔化現(xiàn)象。使用激光，對銑削加工后的316 L不銹鋼進行拋光實驗，用選擇性激光熔化316 L不銹鋼材料來進行激光燒蝕拋光實驗，而直接對316 L材料進行拋光實驗，也采用316L材料來進行激光拋光實驗研究。

　　1.2鈦合金材料的激光拋光

　　鈦合金具有極其優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，如強度高、質(zhì)量輕和耐腐蝕等�？梢员粦�(yīng)用于電子、冶金、航天技術(shù)和醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。鈦合金目前以Ti6A14V材料研究最多。很多學(xué)者都選擇Ti6A14V來進行激光拋光實驗。選擇用激光拋光，應(yīng)用于工業(yè)純鈦拋光的同時實現(xiàn)表面改性。使用脈沖激光沉積方法，得到光滑的Ti64材料表面。使用VT16鈦合金來進行激光拋光實驗。

　　1.3其他金屬材料的激光拋光

　　在其他金屬材料方面，目前應(yīng)用最多的是采用激光技術(shù)直接或者間接地拋光激光燒結(jié)的金屬產(chǎn)品。采用激光來拋光一種選擇性激光燒結(jié)鐵銅合金零件。采用激光，對選擇性激光燒結(jié)的銅合金表面進行拋光，用激光來拋光燒結(jié)青銅，采用LaserForm ST-100的燒結(jié)青銅件來進行激光拋光實驗。

　　2、金屬拋光激光器的選擇類型

　　2.1氣體激光器的應(yīng)用

　　最先采用2500 w的C02激光器，用于金屬表面的激光拋光實驗研究。后來也使用這種激光器來進行拋光研究。對高硬度的DIN 1.2379工具鋼進行激光拋光實驗時，選擇了一個2.5 kW的C02激光器和一個3.1 kW的高功率二極管激光器。

　　2.2固體激光器的應(yīng)用

　　激光拋光金屬材料最關(guān)鍵的因素之一是選擇合適的激光器，目前來說，Nd：YAG激光器以其卓越的性能，被最多的應(yīng)用于金屬材料的拋光研究中。早在2001年，就開始研究Nd：YAG（1064nm）激光器來拋光金屬材料，2004年，就研究使用532 nm波長的Nd：YAG固體激光器來拋光金屬表面。成功使用Nd：YAG激光器（1064 nm）來拋光金屬材料表面，使用一個連續(xù)（CW）Nd：YAG激光器進行激光表面拋光，使用一個266 nm波長的Nd：YAG激光器來進行激光拋光實驗。同時采用波長為1064和532nm的Nd：YAG皮秒激光器來拋光金屬表面。選擇一個Yb：YAG激光器，波長1.03/Lm的激光器來做拋光實驗。選擇了雙束激光器來進行激光拋光實驗，其中一個Yb：YAG激光器用來預(yù)熱金屬表面，另外一個Nd：YAG（1064nm）激光器用來拋光金屬表面。開始嘗試使用超短的皮秒激光器（波長1030nm）來進行激光拋光實驗，這種激光器使激光與金屬材料相互作用的時間非常短，激光作用在材料上幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū)。因此，采用這種激光器對金屬材料的拋光將是一個重大的突破。

　　2.3半導(dǎo)體和其他激光器的應(yīng)用選擇

　　1070nm波長的光纖激光器來進行金屬表面的拋光實驗，通過二極管來控制激光器的開關(guān)。使用波長1.07μm的脈沖光纖激光器來進行激光拋光實驗。對316L進行拋光實驗，分別選擇532nm波長的CW半導(dǎo)體激光器和35513.m波長的大功率紫外激光器（AVIA355-3000）組合的方式，來同時進行拋光金屬實驗。他采用CW半導(dǎo)體激光器來控制輸出的激光的能量密度，采用紫外激光器來進行拋光。使用KF準(zhǔn)分子激光器，對幾種金屬表面進行了拋光實驗。

　　3、展望

　　激光拋光應(yīng)用在金屬材料上，作為一種新型的加工技術(shù)，已經(jīng)得到越來越多的研究者的關(guān)注。這種方法具有其獨特的優(yōu)越性，它是一種非接觸式拋光方法，靈活性強，既可以對材料整體拋光，又可以局部拋光。其拋光在大氣環(huán)境中進行，對材料沒有限制。通過對這種技術(shù)的進一步深入研究，可以為現(xiàn)代工業(yè)提供一種高效率、高柔性、低成本、工藝相對簡單的拋光方法。激光拋光金屬這項技術(shù)雖然有其許多優(yōu)點，但目前對其研究工作還不是很多。其本身的限制條件也是一個重要原因。如由于激光器類型的限制，很多激光不能應(yīng)用在金屬表面的拋光中。正是近年來激光器的不斷發(fā)展，才有很多學(xué)者開始嘗試使用新型的激光器對金屬表面進行拋光。因此，作為激光拋光的最大的限制條件，開發(fā)出新的激光器是目前的最大的研究需求之一。此外，三維（3D）增材制造現(xiàn)在是一個研究熱點，而一般3D增材制造得到的金屬表面都比較粗糙，使用激光對這種金屬表面進行直接拋光是最好的方法。但是目前激光對3D增材制造的表面拋光的文獻報道還不是很多，因此，關(guān)于這方面還有大量的研究工作可以進行。進一步的研究還需要開發(fā)新的激光拋光金屬表面的模型，為激光拋光工藝參數(shù)的選擇建立一個知識庫。同時，對激光拋光表面的其他特性，如表面摩擦性能、微/納米表面裂縫的形成進行全面描述，另外，對于選擇不同的材料進行激光拋光時，拋光工藝參數(shù)的快速選擇和優(yōu)化也是一個需要研究的方向。

　　4、結(jié)束語

　　激光拋光作為一種有效的拋光方法，完全有可能替代人工拋光。但是，僅僅通過實驗來證明激光能拋光金屬材料本身是遠遠不夠的，深入的分析激光與材料相互作用的機理是很有必要的。目前的研究工作，主要是圍繞機理形成、建模計算、工藝實驗、分析結(jié)果等幾方面進行，但總體研究水平尚處在初步的探索階段，進入實際的企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用還需要一定的時間。

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