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淺談激光對(duì)材料表面處理的作用分析論文
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)問題，文章展開分析。
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
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來，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)過程進(jìn)行的控制，可以有效地減少張力作用。粗顆粒的材料進(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，通過這樣的處理過后，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。 在此工藝過程中，需要小心控制噴鍍粉末的流速。若流速過大，會(huì)降低粉末在材料表面的沉淀速率;若流速過小，則會(huì)造成鍍層過于稀薄。
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，讓合金化過程中尚未熔化的合金成分充分地融入其中。此工藝經(jīng)過驗(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
隨著現(xiàn)代生活的高速發(fā)展，越來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)于人類社會(huì)的發(fā)展非常重要。相對(duì)未經(jīng)過激光處理的材料來說，激光處理材料無化學(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。可見激光對(duì)于材料表面處理的作用對(duì)人們來說是必不可少的，由于這類工藝出現(xiàn)的時(shí)間較短，所以有的地方也有待加強(qiáng)�？傊ㄟ^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)人類的影響越來越大，同時(shí)也會(huì)使材料處理方式的技藝更加完美。
【拓展內(nèi)容】
關(guān)于金屬材料表面的激光拋光研究進(jìn)展的論文
[摘要]金屬材料表面的激光拋光，作為一種新型的激光加工工藝，具有拋光效率高、材料去除效果好、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。在介紹了激光拋光材料類型的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了金屬材料拋光過程中所使用激光器的類型，論述了激光拋光金屬材料表面過程中的理論模型方法，詳細(xì)總結(jié)了激光拋光金屬表面的工藝參數(shù)和拋光效果，并對(duì)激光拋光金屬材料的現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行了評(píng)價(jià)和展望。
[關(guān)鍵詞]材料 金屬材料 激光加工 拋光 理論模型 工藝參數(shù)
1、激光拋光金屬材料類型
1.1模具鋼、工具鋼和不銹鋼材料的激光拋光
激光拋光金屬的研究，目前應(yīng)用在模具鋼的報(bào)道最多。最早提出將激光拋光應(yīng)用在X40Crl3模具鋼表面，并通過實(shí)驗(yàn)得到平整光滑的拋光表面。選擇注塑模鑲件中所用的，硬度為62HRC的DINl.2379工具鋼來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)。做出了很多工作，他們選擇AISI-01冷作模具鋼。采用激光，對(duì)經(jīng)過電火花加工處理的C45鋼、X40CrMoV51工具鋼進(jìn)行了拋光研究。同時(shí)采用具有52HRC硬度的DIN1.2344工具鋼和激光燒結(jié)的AISI 420滲銅不銹鋼來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)。研究了s7工具鋼材料的激光拋光特性。使用AISI H13模具鋼來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)，選擇Fe，Al，Ti和304不銹鋼幾種金屬材料進(jìn)行了拋光對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。作為模具和汽車行業(yè)中經(jīng)常用到的球墨鑄鐵材料，由于其具有游離的石墨形態(tài)、較高的熔化溫度，因此一般很難被拋光，使用GGG70L球墨鑄鐵材料來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證。Smith等[7，36]使用304不銹鋼模具來作為拋光材料，也采用304不銹鋼來研究金屬表面在激光拋光作用下的熔化現(xiàn)象。使用激光，對(duì)銑削加工后的316 L不銹鋼進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，用選擇性激光熔化316 L不銹鋼材料來進(jìn)行激光燒蝕拋光實(shí)驗(yàn)，而直接對(duì)316 L材料進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，也采用316L材料來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)研究。
1.2鈦合金材料的激光拋光
鈦合金具有極其優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，如強(qiáng)度高、質(zhì)量輕和耐腐蝕等�？梢员粦�(yīng)用于電子、冶金、航天技術(shù)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金目前以Ti6A14V材料研究最多。很多學(xué)者都選擇Ti6A14V來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)。選擇用激光拋光，應(yīng)用于工業(yè)純鈦拋光的同時(shí)實(shí)現(xiàn)表面改性。使用脈沖激光沉積方法，得到光滑的Ti64材料表面。使用VT16鈦合金來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)。
1.3其他金屬材料的激光拋光
在其他金屬材料方面，目前應(yīng)用最多的是采用激光技術(shù)直接或者間接地拋光激光燒結(jié)的金屬產(chǎn)品。采用激光來拋光一種選擇性激光燒結(jié)鐵銅合金零件。采用激光，對(duì)選擇性激光燒結(jié)的銅合金表面進(jìn)行拋光，用激光來拋光燒結(jié)青銅，采用LaserForm ST-100的燒結(jié)青銅件來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)。
2、金屬拋光激光器的選擇類型
2.1氣體激光器的應(yīng)用
最先采用2500 w的C02激光器，用于金屬表面的激光拋光實(shí)驗(yàn)研究。后來也使用這種激光器來進(jìn)行拋光研究。對(duì)高硬度的DIN 1.2379工具鋼進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇了一個(gè)2.5 kW的C02激光器和一個(gè)3.1 kW的高功率二極管激光器。
2.2固體激光器的應(yīng)用
激光拋光金屬材料最關(guān)鍵的因素之一是選擇合適的激光器，目前來說，Nd：YAG激光器以其卓越的性能，被最多的應(yīng)用于金屬材料的拋光研究中。早在2001年，就開始研究Nd：YAG（1064nm）激光器來拋光金屬材料，2004年，就研究使用532 nm波長的Nd：YAG固體激光器來拋光金屬表面。成功使用Nd：YAG激光器（1064 nm）來拋光金屬材料表面，使用一個(gè)連續(xù)（CW）Nd：YAG激光器進(jìn)行激光表面拋光，使用一個(gè)266 nm波長的Nd：YAG激光器來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)。同時(shí)采用波長為1064和532nm的Nd：YAG皮秒激光器來拋光金屬表面。選擇一個(gè)Yb：YAG激光器，波長1.03/Lm的激光器來做拋光實(shí)驗(yàn)。選擇了雙束激光器來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)，其中一個(gè)Yb：YAG激光器用來預(yù)熱金屬表面，另外一個(gè)Nd：YAG（1064nm）激光器用來拋光金屬表面。開始嘗試使用超短的皮秒激光器（波長1030nm）來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)，這種激光器使激光與金屬材料相互作用的時(shí)間非常短，激光作用在材料上幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū)。因此，采用這種激光器對(duì)金屬材料的拋光將是一個(gè)重大的突破。
2.3半導(dǎo)體和其他激光器的應(yīng)用選擇
1070nm波長的光纖激光器來進(jìn)行金屬表面的拋光實(shí)驗(yàn)，通過二極管來控制激光器的開關(guān)。使用波長1.07μm的脈沖光纖激光器來進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)。對(duì)316L進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，分別選擇532nm波長的CW半導(dǎo)體激光器和35513.m波長的大功率紫外激光器（AVIA355-3000）組合的方式，來同時(shí)進(jìn)行拋光金屬實(shí)驗(yàn)。他采用CW半導(dǎo)體激光器來控制輸出的激光的能量密度，采用紫外激光器來進(jìn)行拋光。使用KF準(zhǔn)分子激光器，對(duì)幾種金屬表面進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)。
3、展望
激光拋光應(yīng)用在金屬材料上，作為一種新型的加工技術(shù)，已經(jīng)得到越來越多的研究者的關(guān)注。這種方法具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，它是一種非接觸式拋光方法，靈活性強(qiáng)，既可以對(duì)材料整體拋光，又可以局部拋光。其拋光在大氣環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)材料沒有限制。通過對(duì)這種技術(shù)的進(jìn)一步深入研究，可以為現(xiàn)代工業(yè)提供一種高效率、高柔性、低成本、工藝相對(duì)簡單的拋光方法。激光拋光金屬這項(xiàng)技術(shù)雖然有其許多優(yōu)點(diǎn)，但目前對(duì)其研究工作還不是很多。其本身的限制條件也是一個(gè)重要原因。如由于激光器類型的限制，很多激光不能應(yīng)用在金屬表面的拋光中。正是近年來激光器的不斷發(fā)展，才有很多學(xué)者開始嘗試使用新型的激光器對(duì)金屬表面進(jìn)行拋光。因此，作為激光拋光的最大的限制條件，開發(fā)出新的激光器是目前的最大的研究需求之一。此外，三維（3D）增材制造現(xiàn)在是一個(gè)研究熱點(diǎn)，而一般3D增材制造得到的金屬表面都比較粗糙，使用激光對(duì)這種金屬表面進(jìn)行直接拋光是最好的方法。但是目前激光對(duì)3D增材制造的表面拋光的文獻(xiàn)報(bào)道還不是很多，因此，關(guān)于這方面還有大量的研究工作可以進(jìn)行。進(jìn)一步的研究還需要開發(fā)新的激光拋光金屬表面的模型，為激光拋光工藝參數(shù)的選擇建立一個(gè)知識(shí)庫。同時(shí)，對(duì)激光拋光表面的其他特性，如表面摩擦性能、微/納米表面裂縫的形成進(jìn)行全面描述，另外，對(duì)于選擇不同的材料進(jìn)行激光拋光時(shí)，拋光工藝參數(shù)的快速選擇和優(yōu)化也是一個(gè)需要研究的方向。
4、結(jié)束語
激光拋光作為一種有效的拋光方法，完全有可能替代人工拋光。但是，僅僅通過實(shí)驗(yàn)來證明激光能拋光金屬材料本身是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，深入的分析激光與材料相互作用的機(jī)理是很有必要的。目前的研究工作，主要是圍繞機(jī)理形成、建模計(jì)算、工藝實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果等幾方面進(jìn)行，但總體研究水平尚處在初步的探索階段，進(jìn)入實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用還需要一定的時(shí)間。
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