激光加工技术的研究始于20世纪60年代, 但是到1970年代初研制出大功率激光器之后, 表面处理技术才获得了实际的应用, 并在近十年内得到了迅速的发展。它不仅可以改善材料表面形成一定厚度的处理层、改善表面力学、冶金、物理性能, 从而提高了弓箭的耐磨、耐蚀等性能。随着激光技术在具体应用中优势一步步得以体现, 其在军工、航天、汽车等领域中的领导作用也被彰显出来。
1 激光表面处理技术的发展
1.1 激光冲击硬化
激光冲击硬化是利用高峰值功率密度的激光束和工件材料的相互作用产生的强力波, 冲击金属表面使其产生塑性变性, 提高力学性能的一项技术。比较有代表的是JoséAntonio Péreza, JoséLuis Ocaab and Carlos Molpeceresb[1]提出的混合控制结构结合了模糊逻辑控制器, 用纯洁的整体行动, 均完全脱钩, 改善与合理的设计成本过程是因为该系统的非线性完全由模糊控制器组成部分补偿, 而整个行动有助于消除稳态误差。
1.2 激光镀技术
激光镀技术是1990年左右由IBM公司首先开展研究的, 可以说是一门很新的表面处理技术。随着近些年的发展, 已从单一的提高镀发展到研究电子的微处理技术。但近几年已有了长足的进步, 已从单一的提高速度发展到研究在电子的微组装中的应用。由于激光镀具有高空间分辨率, 可在非电子材料 (陶瓷、微晶玻璃、硅) 上涂覆各种功能性金属线, 也可以借用CAD技术实线制作各种图形及联线, 以引起了国内外工业界的广泛重视。
2 激光表面处理应用
2.1 激光在航空航天领域的具体应用
镍、铬软磁合金用于航天飞机继电器, 根据目前在航天中的使用情况, GYTl30合金的磁性能、抗蚀性能 (与推进剂的相容性) 和机械性能基本满足用户的使用要求。但在加工和制造的过程中发现, 由于GYTl30磁性材料含Cr量仅为13%, 在零件加工和存储的过程中, 经常发现表面出现锈斑, 这对卫星推进系统的控制十分不利。因此迫切需要研制一种抗大气环境腐蚀能力明显优于GYTl30合金的新型抗蚀软磁合金, 在磁性能较GYTl30合金不出现大幅降低的前提下, 综合性能较GYTl30合金上一个台阶并保证材料的耐蚀性、抗泄漏性、可焊性及机械性能全面满足卫星的需求。
激光表面强化 (LSP) 是一种新型的表面强化技术。它是利用脉冲激光作用于材料表面, 使金属材料表面产生强烈的塑性形, 在激光冲击区位错产生缠结网络, 其结构类似于经爆炸冲的材料的亚结构。这种结构明显改变了材料的表面硬度、屈强度和疲劳寿命。而对镍基合金, 一些学者也研究了激光理对其力学及显微组织的影响。比如通过激光辅助对材料进行激光冲击处理后GYTl30和GYTl70分别提高了280%和170%;GYTl30和GYTl70材料的硬度分别提高了25%、24%, 耐磨性分别提高了78%、76%。
2.2 激光在冶金领域的具体应用
2.2.1 镁合金激光表面处理技术
镁合金激光表面处理是指能改变表面合金成分且细化表面晶粒, 从而提高合金的耐腐蚀和耐磨擦性能。方法主要有化学转化、阳极氧化、微弧氧化、表面渗层、表面电镀等。这些方法均存局限性, 要么对环境有较人的污染, 要么所得的涂层保护性能较差。而激光处理技术则对于以上缺点都能得到极大的改善。
镁合金激光表面重熔是利用较高能量密度的激光束直接照射镁合金表面, 使一定厚度的表层快速熔化, 之后基体在空气中自然冷却, 熔池凝固, 从而使表面得到强化的方法。这种处理可以使镁合金表面组织发生较大变化, 包括晶粒细化、显微偏析减少、有非平衡相生成等, 这些都可以引起表面强化。G.Abbas等用功率为1.5kW的激光对AZ31、AZ61和WE43进行表面重熔, 所用激光扫描速率为160mm/s, 光斑直径为2mm, 搭接率为50%, 重熔过程中采用氩气保护, 冷却后熔层深度为1mm, 处理后试样没有明显的裂纹和气孔。
镁合金激光表面合金化是利用高能激光束将镁合金表面快速加热, 从而将预置在合金粉末及表层的基底材料熔化为液态, 然后使在空气中自然冷却。J.DuttaMajumdar进行了SiC粉末在镁合金表面激光合金化的研究。激光光斑直径为4mm, 处理过程中, 送粉率为20mg/s, 熔道搭接率为25%。
2.2.2 CrMo铸铁汽车模具材料的激光表面处理
在模具 (特别是汽车覆盖件模具) 的使用过程中, 其表面状态直接影响到产品质量和模具的使用寿命, 特别是在模具的重复使用过程中, 模具表面承受着各种形式的复杂应力, 包括摩擦、挤压等, 加上服役条件的恶劣, 从而限制了模具的使用质量和寿命。研究表明:导致模具的失效和疲劳损伤大都发生在模具表面或从表面开始。因此提高模具的使用寿命, 对模具工作面提出了越来越高的要求。开展高密度能量表面强化技术, 特别是激光表面强化处理技术, 对于制造业特别是汽车制造业具有深远的意义。
通常用正交试验法中的L9选优方案, 以光功率P、扫描速度V、光斑直径D (B) 3个因子, 各3个水平, 对CrMo铸铁材料进行宽带 (线性光斑也称为矩形光斑) 和窄带 (圆形光斑) 扫描方式激光相变硬化试验研究。在激光功率等其它参数不变的条件下, 由于该层含有大量的高碳马氏体, 使得硬化层的硬度得到大幅度提高。而硬度深度随扫描速度的增加而减小。模具的原有缺陷如疲劳裂纹、组织疏松对激光相变硬化处理有着一定程度的影响, 这些缺陷的存在, 很容易导致经激光相变硬化处理后材料表面裂纹的扩张。因而事先须做好防范措施。
激光冲击处理可用于多种金属板材结构、焊接结构的表面强化或粉末冶金零件表面的致密化处理。以提高金属表面显微硬度、耐磨性、疲劳性。
摘要：简述了激光表面改性技术的研究与发展现状, 特别是激光冲击硬化与激光镀技术。对各项技术的原理、特点和国内外研究现状加以描述, 重点是对激光表面处理技术在实践工程中的应用加以叙述。
关键词：激光技术,激光冲击硬化,激光镀,实践应用
参考文献
[1] JoséAntonio Péreza, JoséLuisOca ab and Carlos, Molpeceresb, Applied Surface, Science, Volume 254, Issue 4, 15 December2007, Pages879-883, Laser synthesis and processing ofa d van c ed ma t er i als-E-MR S-PSymposium.
[2] Sproul W D.New routes in the prepa-ration of mechanically hard films[J].Scoence, 1996, 273 (5277) :889～892.