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表面處理工藝-激光表面處理
信息來源:www.zjzkhb.com    發(fā)布時間:2019.12.30

定義:

通過激光對工件表面進行設計和改進處理,從而改善其表面性能的方法。

原理:

激光束向金屬表面層照射,金屬表層和其所吸收的激光進行光-熱轉換。當光子和金屬的自由電子相碰撞,金屬導帶電子的能級提高,并將其吸收的能量轉化為晶格的熱振蕩。由于光子能穿透金屬的能力極低,作用深度很淺,故僅能使其表面的一薄層溫度升高。由于導帶電子的平均自由時間僅有0.001s左右,因而這種熱交換和熱平衡的建立是非常迅速的。

分類:

包括清洗、相變硬化、合金化、涂敷、熔凝、沖擊強化等。

激光清洗:

1.定義:

利用高能的激光束照射工件表面,使表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離,高速有效地清除表面的污染物或涂層。

2.特點:

a.不需有機溶劑,沒有廢液排放,殘渣少,不會造成環(huán)境污染;

b.有效清除其他方法難以去除干凈的吸附在物體表面的亞微米粒子;

c.柔性高、可控性好、易于選區(qū)定位精密清洗;

d.易于遠距離遙控清洗難以到達或危險的地方。

3.方法:

a.激光干洗法,即采用脈沖激光直接輻射去污;

b.激光+液膜的方法,即首先沉積一層液膜于基體表面,然后用激光使液膜發(fā)生爆炸去污;

c.激光+惰性氣體的方法,即激光輻射的同時,用惰性氣體吹向工件表面,當污物從表面剝離后,就被氣體遠遠吹離表面,避免清潔表面再次污染和氧化;

d.用激光使污物松散后,再用非腐蝕性的化學方法去污。

激光相變硬化:

1.定義:

以高能量的激光束快速掃描工件,使工件表層迅速加熱到奧氏體化溫度,隨后通過熱量往基體深部的傳導,被加熱的表層以很快的速度冷卻,得到馬氏體組織。

2.目的:

在工件表面有選擇性的局部產生硬化帶以減低磨損,以及通過在表面產生壓應力來提高疲勞強度。

3.優(yōu)點:

a.淬硬層組織細化,硬度比常規(guī)淬火提高15~20%,鑄鐵經(jīng)淬火后耐磨性提高3~4倍;

b.加熱速度快,工藝周期短,生產效率高,成本低,工藝過程易于控制,自動化程度高;

c.對于孔狀及腔筒內壁等特殊部位,只要激光束能照射到的均可進行處理;

d.可進行大型零件的局部表面的硬化及形狀復雜零件的硬化處理;

e.淬硬層深度可精確控制。

激光合金化:

1.定義:

在高能束激光作用下,將一種或多種合金元素與基材表面快速溶凝,從而使廉價材料表面具有預定的高合金特性的技術。

2.特點:

a.低級金屬零件的局部表面經(jīng)處理后能獲得高級合金的性能;

b.層深層寬可以得到精密控制,施加合金用量少,效率高;

c.由于激光加熱層溫度梯度大,故結合層窄,結合質量好,對基體金屬性能的壞影響小;

d.高熔點合金能容易涂覆在低熔點合金表面;

e.施加合金的方法有:粉末法、等離子涂層法、鍍層法、真空濺射法、爆炸結合法等;

f.表面預先準備手續(xù)較多,如開槽、不平處加工等;

g.在一些硬度高、孔隙率低、結合好的涂層上已出現(xiàn)裂紋,需預熱解決膨脹差異。

激光涂敷:

1.定義:

采用激光加熱,使基材材料,僅表面一極薄層熔化,同時加入另外的合金成分并一起熔化后迅速凝固形成新的合金層。

2.材料:

基體材料為碳鋼、鑄鐵、不銹鋼和鋁等;

涂層材料是Co、Ni和Fe基合金、碳化物、氧化鋁、陶瓷等。

3.特點:

涂敷材料受到基體材料極小的稀釋,基本保持其原有成分及性質不變,從而提供良好的耐磨損、抗腐蝕能力。

激光溶凝處理:

1.定義:

指用較高功率密度(10^4到10^6W/cm2)的激光束,在金屬表面掃描,使表層金屬熔化,隨后快速冷卻。

2.目的:

得到細微的接近均勻的表層組織,具有極好的抗腐蝕性能。

3.使用情況:

主要用于鑄鐵、工具鋼和某些能形成非晶體態(tài)的共晶等材料的處理

4.注意事項:

a.宜采用均強光斑,也可采用聚焦光斑或離散光斑。

b.溶凝處理一般不加增強激光吸收層。

激光沖擊強化:

1.定義:

用很高的功率密度的激光,在極短的時間內使金屬表面溫度迅速上升,達到汽化的程度,表面材料如此突然地被汽化,基體金屬就收到高壓應力沖擊波,從而使材料表層得以強化。

2.作用機理:

在材料表面產生高強度沖擊波,幅度大于為10000Pa,足以使金屬產生強烈的塑性變形,使激光沖擊區(qū)在顯微組織呈現(xiàn)位錯的纏結網(wǎng)絡。

3.適用材料:

改善鋼、鈦合金、鋁等。

4.目的:

a.提高材料表面強度、屈服強度以及疲勞壽命;

b.強化精加工后部件的非平坦表面,提高裂紋擴展抗力強度;

c.通過強化焊縫,減少焊接鋁管的壁厚。

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