激光表面改性技術

2024年3月29日發(fā)(作者：googol)

1激光表面改性技術發(fā)展歷程

激光的發(fā)明及應用是20世紀對人類文明及社會進步影響最深遠的重大科技成果之一，

激光技術在材料科學及制造科學中的應用，大大促進了材料科學與工程及先進制造技術的

發(fā)展激光表面改性是運用高能激光束對工件表面進行改變性能的技術，具有許多獨有的特

點。從20世紀60年代激光問世以來，激光技術作為一門嶄新的高新技術，幾乎在各行各

業(yè)都獲得了重要的應用。20世紀70年代中期大功率激光器的出現(xiàn)，使激光綠色再制造技

術不僅在研究和開發(fā)方面得到迅速發(fā)展，在工業(yè)應用方面也取得了長足進步。經(jīng)過30年

的迅猛發(fā)展，激光綠色再制造技術已在汽車、冶金、紡織等行業(yè)得到成功的應用，獲得了

良好的社會效益和經(jīng)濟效益。激光技術在我國經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了上千項科技成

果，許多已用于生產(chǎn)實踐，激光加工設備產(chǎn)量平均每年以20％的速度增長，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的

技術改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題，如激光毛化纖技術正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠

推廣，將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進口的狀態(tài)，激光標記機與激光焊接機的質(zhì)

量、功能、價格符合國內(nèi)目前市場的需求，市場占有率達90％以上。

激光具有四大特性:高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。激光的能最密度高（可

達104-108 M/cm2)，作用于工件表面時形成局部高溫，基體的加熱速度和冷卻速度極

快，般可達104-108 ℃/S。與傳統(tǒng)的熱加工技術相比，激光加工對基體的熱影響區(qū)小得

多，因此工件一般不產(chǎn)生熱變形或變形量極小。此外，由于激光加工是光子與材料相互接

觸，故而對環(huán)境的污染小，是名副其實的綠色加工技術。進行激光表面改性處理的目的是

為了制取與基體性能有較大差異的改性層，它包括激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆

等技術。激光淬火是運用高能激光束對工件以定速度進行掃描，使工件在激光照射下瞬間

達到相變點以上高溫，然后以極高的速度冷卻，達到表面淬火的效果。激光表面合金化是

添加某一種或幾種合金元素在基體表面，在激光束的照射下形成熔池，并與基體材料發(fā)生

冶金反應，獲得含基體元素和添加元素的合余改性層。激光熔覆是將某種合金直接熔焊在

表面工程

基體表面，它與激光表面合金化比較類似，但兩者的區(qū)別在于激光熔覆過程中表面改性層

一般不摻雜基體元素。

激光表面改性技術是提高金屬表面性能的有效手段，能夠大幅度提高工件的使用壽命。

與其他一些金屬表面改性技術相比，激光表面改性技術的優(yōu)點十分突出：○1激光表面改性層

稀釋率低，且既可是多組元的化合物層，也可以是具有多種性能匹配的梯度涂層; ○2激光表

面改性層厚度容易調(diào)節(jié)，并可采用機加工的方式控制表面精度;○3激光表面改性層與基體呈

牢固的冶金結(jié)合，不會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象; 4○激光表面改性處理速度快，熱影響區(qū)小，不會引起

基材性能和尺寸變化。

綜上所述，采用先進的激光表面改性技術，直接在金屬表面制備一層具有低摩擦系數(shù)、

優(yōu)異耐磨性能、優(yōu)異抗高溫氧化性能或優(yōu)異的生物力學相容性并與金屬基材之間為牢固冶

金結(jié)合的特殊材料的冶金涂層，無疑是在保持金屬固有性能優(yōu)點的條件下，從根本上解決

金屬性能缺點的最有效、最經(jīng)濟、最靈活和最具可設計性的方法之一。

2激光技術在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

激光加工是國外激光應用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kW

級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實現(xiàn)對各種材料的切割、焊接、打

孔、刻劃和熱處理等。據(jù)1997~1998年的最新激光市場評述和預測，1997年全世界總激

光器市場銷售額達32.2億美元，比1996年增長14％，其中材料加工為 8.29億美元，醫(yī)

療應用3億美元，研究領域1.5億美元。1998年總收入預計增長19％，可達到38.2億美

元。其中占第一位的材料加工預計超過10 億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應用。

我國科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機階段；

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