1、激光與物質(zhì)相互作用,任課老師： 秦應(yīng)雄 講 師 電 話：87541774 / 62274402 Email : ,Laser- Matter Interaction,本科課程試講,內(nèi)容提要,第三章 激光輻照下的熱效應(yīng)及應(yīng)用 3.1 激光相變及應(yīng)用 （1）激光熱效應(yīng)概述 （2）金屬學相關(guān)知識 （3）激光相變機理 （4）激光相變技術(shù) （5）激光相變應(yīng)用 要求： 1、掌握材料在激光熱作用下的相變機理與特點 2、熟悉激光相變的相關(guān)應(yīng)用。 思考： 1、材料表面激光相變硬化的兩個主要條件是什么？對激光光束和工件有什么要求？,（1）激光熱效應(yīng)概述,激光熱效應(yīng)概述,一般而言，從激光能量角度，激光與物質(zhì)相互作用

2、具有如下規(guī)律：,103104W/cm2,104106W/cm2,106108W/cm2,108W/cm2 以上,加熱相變,熔融,氣化,等離子體,相變硬化、 退火,焊接、熔覆、 快速制造,打孔、切割,推進、鍍膜 微納制造等,（1）金屬學相關(guān)基礎(chǔ),鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料。 為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，得到不同的應(yīng)用要求，如不同機械性能的結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等。 熱處理就是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的操作工藝。,相關(guān)

3、知識,什么是相、組織、相變、淬火？,相是由成分相同、結(jié)構(gòu)相似、性能相同的物質(zhì)組成。 組織是一種結(jié)合形態(tài)，可以由一個相和多個相組成。,奧氏體相,鐵素體相,奧氏體相：碳在面心立方鐵中的間隙固溶體（相變溫度以上）,鐵素體相：碳在體心立方鐵中的間隙固溶體（低溫）,馬氏體相：碳在體心立方鐵中的過飽和間隙固溶體（快冷組織，硬度高）,馬氏體,奧氏體,相變常指一種組織（相）在溫度或壓力變化時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或多種組織（相）的過程。 淬火是將鋼（鐵素體）加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，形成奧氏體，然后很快放入淬火劑中，使其以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度。,

4、鐵碳相圖,轉(zhuǎn)變溫度,連續(xù)冷卻曲線,(1) 高溫轉(zhuǎn)變 在A1550 之間, 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織, 此溫區(qū)稱珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)。 (2) 中溫轉(zhuǎn)變 在550 Ms之間, 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體型組織, 此溫區(qū)稱貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。 (3) 過冷A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是低溫轉(zhuǎn)變過程, 轉(zhuǎn)變溫度在MsMf之間,該溫區(qū)稱馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。,（1）激光相變機理,淬火硬化機制是：當采用激光掃描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速達到極高的溫度（升溫速度可達103106.s-1 以上），此時工件內(nèi)部仍處于冷態(tài)，隨著激光束離開零件表面，由于熱傳導作用，表面能量迅速向內(nèi)部傳遞，使表層以極高的冷卻速度(可達106

5、.s-1)冷卻，故可進行自身淬火，實現(xiàn)工件表面相變硬化。,激光相變的條件,1. Tmax(0,t):相變溫度（奧氏體化溫度）以上，且熔點以下； 2. 必須在相變點A1處以高于臨界冷卻速度冷卻。,功率密度：103104W/cm2 自身工件具有一定大小，實現(xiàn)自我快速冷卻。,能量擴散,激光入射,激光反射,溫度條件：溫度升高的速度取決于材料中能量吸收與能量消散之間的比例。 如果材料吸收激光的能量遠大于擴散的能量，激光光斑處的溫度溫度將急劇升高，導致材料熔化，甚至汽化，反之，激光光斑處的溫度升高將很有限。,激光表面淬火特點,（2）激光相變技術(shù),A,B部分硬化 C部分硬化不夠,如何提高相變硬化深度、均勻性

6、、效率，減少缺陷？,工件預(yù)處理 方法,磷化：工件表面形成一層磷酸錳等磷化薄膜。經(jīng)過鱗化后材料表面吸收率80%以上。 黑漆：其主要成分為石墨粉和碳酸鈉或硅酸鉀，采用噴涂法。 碳素石墨：小批量的激光相變淬火試驗時，經(jīng)濟又方便。 SiO2型涂料 國內(nèi)90年代研制了一種以SiO2為骨料的可噴材料。選用200300目精制石英粉，其中涂料被認為除對激光有較高吸收率外，還能在激光輻射下形成液態(tài)均勻覆蓋于金屬表面，冷卻后形成固態(tài)薄膜。 日本佳友公司還開發(fā)出一種Nextel01型涂料，對CO2激光的吸收率可達9095%，其主要成分也是SiO2。,光束均勻化變換系統(tǒng),振鏡 轉(zhuǎn)鏡 積分鏡,轉(zhuǎn)鏡,軋輥激光表面強化,軋

7、輥激光表面工藝,激光熔凝處理,激光熔化凝固處理（簡稱激光熔凝處理）是以高功率密度（105106W/cm2）的激光，在極短的時間內(nèi)（10-210-3s）與金屬交互作用，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當高的溫度使之熔化，隨后，借助冷態(tài)金屬基體的吸熱和傳導作用，使得已熔化的表層金屬快速凝固。激光熔凝得到的是細小的鑄態(tài)組織，其硬度較高，耐磨性亦較好。,（a）熔凝處理,（b）相變硬化處理,工藝參數(shù),鑄鋼軋輥(600mm)的激光表面強化處理工藝參數(shù)為： 激光功率P=3.54.0KW、 光斑直徑D=66.5mm、 掃描速度V=0.83轉(zhuǎn)/分 螺距n45.5mm 此工藝參數(shù)所獲得的淬硬層深度約為1mm,氣

8、缸表面處理工藝,（5）激光相變應(yīng)用,軋輥激光表面相變硬化,瓦楞輥激光表面相變硬化,大型內(nèi)齒圈-激光淬火,減振器內(nèi)槽-激光淬火,鑄鋼-大型雙聯(lián)齒輪-激光淬火,鑄鐵-發(fā)動機缸孔-激光淬火,激光相變應(yīng)用,激光相變應(yīng)用,模具錘頭-激光淬火,鑄鐵-摩擦輪-激光淬火,大型軸承套圈-激光淬火,鋼軌激光表面強化,軋輥表面激光熔凝淬火工藝,激光熱處理設(shè)備,激光相變熱處理生產(chǎn)線,小結(jié),1、激光相變機理 2、激光相變技術(shù)與應(yīng)用 重點掌握激光相變作用過程中的熱作用過程和激光相變硬化機制。,3.2 激光熔覆與合金化,激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加熱的特點，使基材表層金屬和所添加的合金元素熔化混合，在基材表面

9、形成一層具有一定濃度且成分均勻的合金層，從而滿足對工件耐磨、耐蝕、耐高溫抗氧化等特殊性能的要求。 激光熔敷通過在基體材料表面添加熔敷材料，并利用高能密度的激光束使熔敷材料熔化，并與材料表面形成冶金連接在金屬表面形成以熔敷的材料為基體的表面強化層。激光熔敷不是以基體上的熔敷金屬為溶劑加入合金元素，而是用另行配制的合金粉末被激光熔化，成為熔敷層的主體合金，同時基體金屬也有一薄層熔化與熔敷層結(jié)合。,激光熔覆，激光合金化的傳質(zhì),激光合金化與熔覆材料的供料方式,一維修復技術(shù),光束、送粉頭在一個平面內(nèi)固定不動。側(cè)向送粉，單向運動，重力送粉。用于軋輥、長軸零件修復，效果顯著。,二維修復技術(shù),光束、粉末流沿光

10、軸方向同軸輸出，工作頭不動，與機床實現(xiàn)二維平面運動。重力送粉。,三維修復技術(shù),三維旋轉(zhuǎn)光頭、三維同軸送粉、 三維氣動送粉、三維空間熔敷。,（）不同類型同軸送粉工作頭,（）用于激光熔 焊的送粉頭,（）高功率激光送粉頭,激光熔覆專用同軸送粉頭,合金粉末,激光合金化和熔覆一般均與合金粉末為引入材料。根據(jù)激光合金化和熔覆的應(yīng)用，對粉末有以下基本要求: (1) 應(yīng)具有所需要的實用性能，例如耐磨，耐蝕，耐高溫，抗氧化等特性性能。 (2)具有良好的固態(tài)流動性，粉末的流動性與粉粒的形狀，粒度，表面形狀及粉末的濕度等因素有關(guān)。 (3)粉末材料的熱漲系數(shù)，導熱性應(yīng)盡可能與工件材料相接近，以減少合金層的殘余應(yīng)力。

11、(4)具有良好的濕潤性，濕潤性與表面張力有關(guān)，表面張力愈小，濕潤角愈小，液體流動性愈好。,常用于激光熔覆或合金化的粉末,1.自熔性合金粉末：目前國內(nèi)生產(chǎn)的自熔性合金粉末可分為鎳基，鈷基和鐵基三大類，還有WC性自熔性合金粉末，它是在上述3大類合金中加入一定量的高硬度WC制成的。 2.復合粉末：復合粉末是一種新型的表面強化工程材料。 復合粉末主要有硬質(zhì)耐磨復合粉末，如Co/WC, Ni/WC，Co/Cr2C2等； 減磨潤滑復合粉末，如Ni/AL，NiCr/AL，CoCrAlY等。 陶瓷粉末有Al2O3，ZrO2，Y2O3，MgO，CaO等。金屬陶瓷復合粉末，如MgO，ZrO2NiAL和Y2O3Zr

12、O2CoCrAlY等。 耐磨金屬陶瓷復合粉末，如Ni/AL，NiCr/AL及NiCrAlY等。,激光合金化典型實例,鐵系合金的激光合金化 蘇聯(lián)A.Bgeno kw等采用固體激光進行了工業(yè)純鐵添Mo的激光合金化。用激光脈沖能量9J，脈寬4ns的脈沖釹玻璃激光器。激光功率密度為6105W/cm2，得到激光合金化深度為450500um，硬度比工業(yè)純鐵提高1.5倍。 L.S.Weiuman等用連續(xù)激光器，采用功率密度107W/cm2對基體為AISI1008鋼進行添Cr合金化，合金層中Cr含量基本均勻。 J.Mazumden等采用10KW CO2激光器，功率密度108W/cm2，采用同步送粉法將粉質(zhì)為2

13、m 的Fe+Cr+Ni合金粉末吹入激光作用熔池實現(xiàn)激光合金化。試驗結(jié)果表明，經(jīng)激光表面合金化后的耐腐蝕性能比不銹鋼還強。 鄭啟光，王華明等人1996年采用大功率CO2激光器對Ti合金和Al合金進行激光熔池吹N2 氣，在高溫下合成TiN和AlN合金層。,鈷基合金的激光熔覆,鈷基合金具有很高的高溫性能和綜合機械性能，其中以司太立合金為最多. 格蘭姆茲（D.S.Gnamcthu）用司太立1號合金鑄棒放在AISI4815鋼上，鑄棒為M7C3和M6C細粉分布于奧姓體鈷的基體上，直徑為3mm的鋼的基體預(yù)熱至250，激光功率為3500W，光斑直徑6.4mm，掃描速度4.2mm.s-1，用氫氣和氬氣保護。用電

14、子探針測得熔覆層中含鈷51%，含漯31%，含鎢13%。在整個熔覆層內(nèi)成分均勻并且組織均勻，基體進入熔覆層的重量小于5%，硬度在HV0.5730以上。 邁格（J.H.Megaw）等進行了司太立6號（Co63%，Cr27%，鎢4%，鐵5%，碳1%）的激光熔覆試驗，利用CL5型5KW連續(xù)CO2激光器，環(huán)形光束，外徑35mm，內(nèi)徑15mm，掃描速度為2.86.7mm.s-1，在激光照射區(qū)用氬氣保護，粉末預(yù)置厚度為1mm。在多道搭接熔覆時，在熔覆道之間放置粉末。在以鑄鐵為基體的激光熔覆試驗中遇到了氣孔問題。,激光熔覆層的顯微硬度平均值在HV794，最高達HV857。其硬度比等離子噴焊層提高44%，比火焰堆焊層提高78.9%。激光熔覆的硬度均勻性比等離子噴焊層和火焰堆焊層的硬度均勻性分別提高40%和25%。,（a）激光熔覆層,（b）等離子噴焊層,大型曲軸的激光熔覆工藝,大型曲軸激光熔覆工藝,激光熔覆應(yīng)用實例,油田鉆井軸激光熔覆,金屬零件的直接制造,3.3 激光毛化,激光毛化冷軋輥技術(shù)是八十年代在世界上才發(fā)展起來的生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋薄鋼板新技術(shù)。毛化薄鋼板具有優(yōu)良的成型性和表面涂鍍性，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋毛化板，首先要對軋輥進行毛化，然后軋機使用毛化軋輥再軋制出所需