激光對(duì)材料表面處理的作用分析

陳 婷（陜西省理工學(xué)校,西安 710054）

激光對(duì)材料表面處理的作用分析

陳 婷
（陜西省理工學(xué)校,西安 710054）

摘 要：隨著社會(huì)不斷的飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對(duì)生活用品的要求也越來(lái)越高。原有的焊接、打孔、切割等對(duì)材料的處理上不能達(dá)到一些特殊的要求，所以近幾年來(lái)，激光對(duì)材料表面的處理技術(shù)得以發(fā)展起來(lái)。在金屬材料表面用激光處理有五種主要的方法，相對(duì)硬化、玻璃化、均勻化、表面合金化和噴度法。本文就主要針對(duì)激光對(duì)材料表面處理的作用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：材料表面；激光處理；運(yùn)用與作用

激光對(duì)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(duì)材料的一些特殊要求。如相對(duì)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(huì)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(huì)有一定熔化，所以形狀會(huì)發(fā)生一些變化；表面合金化技術(shù)會(huì)讓材料表面有一層新合金；激光噴漆技術(shù)表面會(huì)有一層新材料。但是由于技術(shù)發(fā)展歷史比較短，所以對(duì)其理論和實(shí)踐都還需進(jìn)一步地探討，就這個(gè)問(wèn)題，文章展開(kāi)分析。

1　激光對(duì)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(duì)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(shí)，會(huì)提高金屬帶電子的能量。能量會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)能，體現(xiàn)出熱量的形式。要穿透金屬光子的能量還達(dá)不到上限，金屬表面就會(huì)集中許多能量，溫度會(huì)迅速升高至熔點(diǎn)和相變點(diǎn)溫度，再加上金屬導(dǎo)熱性能好的原理，基體會(huì)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(huì)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(duì)材料表面處理效果的三要素，也是三個(gè)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(gè)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(huì)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(huì)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(gè)要素對(duì)材料處理的工藝效果會(huì)不同。

2　激光對(duì)材料表面處理種類(lèi)

2.1 激光對(duì)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(guò)后，材料表面局部會(huì)先熔化，而這就會(huì)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(huì)有不同的原理，然后迅速冷卻高溫，會(huì)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(shí)間，然后迅速冷卻，原子就沒(méi)有時(shí)間恢復(fù)到低溫時(shí)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而形成介穩(wěn)結(jié)構(gòu)。在這一過(guò)程中還注意冷卻時(shí)候一定要迅速，硬化深度誤差一定要小，溫度保持時(shí)間一定要確定在最小保留時(shí)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(jìn)行熔化，溫度達(dá)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(kāi)來(lái)，同時(shí)迅速淬火，達(dá)到各個(gè)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(duì)過(guò)程進(jìn)行的控制，可以有效地減少?gòu)埩ψ饔谩４诸w粒的材料進(jìn)行這樣處理后晶粒的抗腐蝕性會(huì)得到提高。相對(duì)于含有碳化物的工具，通過(guò)這樣的處理過(guò)后，表面的硬度會(huì)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(huì)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(guò)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(guò)激光噴鍍形成的材質(zhì)表層比一般的牢固，不僅成為了獨(dú)立的工藝，還方便對(duì)氣體噴鍍的善后處理。

在此工藝過(guò)程中，需要小心控制噴鍍粉末的流速。若流速過(guò)大，會(huì)降低粉末在材料表面的沉淀速率；若流速過(guò)小，則會(huì)造成鍍層過(guò)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(xì)小化來(lái)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(jìn)行合金化處理，然后再用第二束激光進(jìn)行均勻化處理，讓合金化過(guò)程中尚未熔化的合金成分充分地融入其中。此工藝經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，也確實(shí)證明了雙束工藝擁有均勻化的作用。

3　結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代生活的高速發(fā)展，越來(lái)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(duì)于人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展非常重要。相對(duì)未經(jīng)過(guò)激光處理的材料來(lái)說(shuō)，激光處理材料無(wú)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(guò)激光處理的材料更加強(qiáng)大，多樣化的激光處理方式增加了工藝多樣化?？梢?jiàn)激光對(duì)于材料表面處理的作用對(duì)人們來(lái)說(shuō)是必不可少的，由于這類(lèi)工藝出現(xiàn)的時(shí)間較短，所以有的地方也有待加強(qiáng)?？傊?，通過(guò)不地的改良和改善，不斷創(chuàng)新新的工藝，會(huì)讓激光對(duì)材料表面的處理技藝對(duì)人類(lèi)的影響越來(lái)越大，同時(shí)也會(huì)使材料處理方式的技藝更加完美。

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作者簡(jiǎn)介：陳婷(1980-)，女，陜西西安人，本科學(xué)歷，講師職稱(chēng),主要研究方向：材料科學(xué)工程。