表面改性技术教师：强颖怀学院：材料学院材料科学与工程学院表面改性技术第六章 表面改性技术概述1
激光束2
电子束3
离子束4
材料科学与工程学院表面改性技术6.1 激光束表面处理技术最引人注目的技术之一成功地走向工业化生产应用传统的表面处理技术相竞争提高制品的性能和寿命获得极大的社会效益和经济效益材料科学与工程学院表面改性技术6.1 激光束表面处理技术相位一致方向性好波长单一优越的聚光性可以获得很高的能量密度高能束表面改性技术中的一种主要手段材料科学与工程学院表面改性技术6.1 激光束表面处理技术
激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。
激光照射到材料表面表层材料受热升温激光作用后冷却激光被吸收变为热能固态相变 /熔化 /蒸发材料科学与工程学院表面改性技术加热速度快,105-109℃ /S
自冷速度高,＞ 104 ℃ /S
输入功率小，工件变形小可局部加热精确控制：线加工自动化但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积
6.1 激光束表面处理技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。
波长越短，吸收率高越粗糙，越易吸收温度升高、吸收越多：熔点 40-50%，沸点 90%
杂质影响吸收黑化处理：碳素 /磷化 /油漆
6.1 激光束表面处理技术材料科学与工程学院表面改性技术激光相变激光电镀：阴极加热激光物理气相沉积激光化学气相沉积
6.1 激光束表面处理技术激光熔融激光表面冲击材料科学与工程学院表面改性技术
1,激光相变硬化,在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。
加热和冷却速度高,105～ 109℃ /S
高硬度：比常规淬火提高 15%～ 20%
变形小：加热层薄 疲劳强度高
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术由于激光加热速率极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。
因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。
冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术低碳钢 可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体
。
中碳钢 可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬度 HV达 800，比一般淬火硬度高出 100以上；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术高碳钢 也可分为两层：外层是隐针马氏体；
内层是隐针马氏体加未溶碳化物。
铸铁 大致可分为三层：表层是熔化－凝固所得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏体。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。
----直升飞机辅助动力装置的行星齿轮
----飞机主传动装置的传动齿轮用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。
----采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比氮化处理快 14倍，且所得到的硬化层比经过
10～ 20h氮化处理的硬化层还厚，质量优良，几乎无变形。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例内燃机活塞环激光相变硬化活塞环是内燃机易损基础件之一 。 为提高活 塞 环 耐 磨 性 延长 其 使 用 寿命,对由
42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光相变硬化处理。
工艺,激光输出功率 1.65kw，扫描速度
22mm/s，光斑直径 3mm。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化效果,激光硬化区主要是由细长板条马氏体和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为
713HV0.1；硬化层深为 0.5mm；激光硬化表面光洁度基本保持不变，变形量满足形位公差要求。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变硬化技术对轴颈进行强化处理。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化工艺,激光输出功率 1.1kw，扫描速度
17mm/s，光斑直径 4mm。
效果,激光硬化区主要是由针状马氏体、
奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬度达 HRC60以上；硬化区层深为 1mm；使用寿命提高 3倍。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术编号 零件名称 材 料 优点或效果
1 锭杆 GCr15 硬化区深 0.94mm，峰值硬度 980HV0.1,相对耐磨性提高 10倍
2 成形刀 高速钢 刀具耐用度提高 2.5～ 3.5倍，切削速度提高7～ 8倍
3 气缸套 铸铁 比硼缸套寿命高 25％，与活塞环配制寿命提高 30％
4
精密仪器 V型导轨
45钢 较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品率高
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术轴毂激光表面淬火 大型浸没辊大型齿轮 滚道辊
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术铸铁缸套内壁齿圈硬化层深
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术6.1.2 激光表面处理工艺卷曲机大面积激光相变材料科学与工程学院表面改性技术
2,激光表面熔凝处理,利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，
并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术。
细化铸造晶粒过饱和固溶体减少偏析非晶体改变表层结构
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光熔化淬火处理后的 ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的
1/10，硬度可提高 30%左右。
AA390铝合金，处理前合金组织中镶有 60μm大的 Si颗粒，处理后硅的颗粒变为 1～ 4μm。
铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松，
用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时把表面层细化。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术为了提高灰铸铁及球墨铸铁的耐磨性，采用激光加热表面熔化－结晶处理使其表面白口化，可显著提高耐磨性，这种处理方法在生产上使用较多。如采用二氧化碳激光器对铬钼合金铸铁活塞环进行熔化一结晶处理，
可获得由细小碳化物与隐晶马氏体所组成的极细莱氏体。莱氏体的硬化层深度为 0.10～
0.20mm，硬度为 1000～ 2000HV。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术通过快磨试验、汽车台架试验与装车考核试验证明，活塞环的磨损量减少，
使用寿命提高。
采用激光加热表面熔化 --结晶处理灰铸铁，在白口区硬度达到 1070～
1210HV。美国阿尔科公司利用这种方法处理灰铸铁的凸轮轴等零件，表面形成莱氏体组织，硬度为 52～ 54HRC。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术与表面淬火相比，显著地提高了耐磨性和抗蚀性，缩短了热处理时间，保证了产品质量。印刷邮票用的辊式打孔器，辊外径为
365mm，长 645mm，壁厚 9.7mm；辊筒材料为 50钢。辊面上需使用程控钻床打出 2.5万个 φ0.98mm的孔。过去因打孔器技术没过关
，以致不能满足需要。我国现已采用激光处理的办法使孔刃部达 60HRC以上，攻克了这一难题。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术切割石材锯片激光熔凝轧辊硬度显著提高
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗磨损性能。
激光扫描处理 Fe－ P－ Si合金得到的非晶态硬化层的硬度是基体硬度的 5～ 6倍。
航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少
50%。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光非晶化就是用激光的手段在金属表面上制得非晶层的技术，有有时称之为激光上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。
采用激光扫描处理 Fe－ P－ Si合金得到的非晶态硬化层的硬度为 1300～ 1500HV，是基体硬度的 5～ 6倍。目前国内外对激光非晶态处理给予极大的关注，认为它是制作非晶态合金的一种很有前途的技术。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光非晶体的应用正在开发中。美国工艺研究中心采用此工艺在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少
50%。该工艺已应用于生产 F－ 15型战斗机用的 F100型发动机上。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
3,激光表面合金化,利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化，在很短的时间内，形成不同化学成分和结构的表面合金。可获得理想合金或亚稳态合金。
区域合金化有效利用能量精确控制密度和深度不规则零件合金
6.1.2 激光表面处理工艺激光合金化是表面改性处理的新方法，特别适用于工件的重要部位的处理，这样既改善了工件的使用寿命，
又可简化工艺和节约昂贵的整体合金。激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨、耐蚀性等性能。
材料科学与工程学院表面改性技术
（ 1）铁基系在某些情况下，钢中加入 Cr,Ni,Mo等贵重元素不是为了提高整体强度，而是为了防止环境对表面的损伤，此时采用表面合金化可使成本大大降低。例如，用 70%Cr－ 30%Ni的金属粉末对一般碳钢进行激光表面合金化，表面可获得
29%Cr-13%Ni的合金，该合金在 1mol/L H2SO4
中的极化曲线与 18-8不锈钢的极化曲线相似，有几乎一样的钝化能力，即具有相同的耐蚀性。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
（ 2）有色金属系在铝合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究。例如以 Si合金化可达到的硬度是 200HV，以 Cu合金化可达
300HV，以 Fe合金化可达 300～ 500HV，
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
（ 3）金属硅化物激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属触点。 1978年 Poate等人用双频激光辐照，把 Pt,Pd和 Ni膜合金化到 Si中，试样表面被熔化并在横向产生非常均匀的合金层，其平均成分可通过改变膜厚和激光功率在一定的范围内变化。用连续波激光加热固体有可能形成单相硅化物。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术过钢量 1.5-2倍，寿命增加
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
4,激光表面熔覆,在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，
可获得具有原来特性和功能的强化层。
激光表面熔覆于 1981年被成功地应用于大型喷气客机涡轮叶片发动机的高压透平叶片护罩后，
引起了重视，目前已经成为国内外激光表面改性研究的热点。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
1．激光包覆激光包覆工艺是继激光淬火之后，第二个在工业中获得应用的一种激光表面改性技术。激光包覆适用于易磨损、腐蚀和受冲击的零件，无论是在包覆展质量还是在工艺性和经济性方面均优于传统的堆焊和热喷涂工艺，其工业应用前景广阔。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
1．激光包覆激光包覆是选择硬度高、耐磨、耐蚀和抗疲劳性能好的材料包覆工件表面，然后用大功率激光束扫描，将包覆材料熔化到基体表面，形成包覆层。激光包覆具有粘结牢靠，包覆层厚度容易控制，操作简单和加工周期短等优点。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
1．激光包覆英国已采用计算机控制的激光包覆工艺取代手工氩弧堆焊工艺，在发动机涡轮叶片上包覆钴基合金，可得到无气孔、无裂纹的高性能包覆层，工效提高 11倍，成本降低 80%，钴基合金的消耗量减少 50%。
另外，在制造电接触器时，用激光包覆工艺取代化学涂覆工艺，在铜基体上包覆银层，可大大提高生产率和降低成本消耗。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
2．陶瓷层激光涂覆火焰喷涂和等离子喷涂等热喷涂的方法广泛用来进行陶瓷涂覆。但所有这些方法都不能令人满意。因为它们获得的涂层含有过多的气孔、熔渣夹杂和微观裂纹，而且涂层结合强度低，易脱落
。这会导致高温时由于内部硫化、剥落、机械应变降低、坑蚀、渗盐和渗氧而使涂层早期变质和破坏。使用激光进行陶瓷涂覆，即可避免产生上述缺陷，提高涂层质量，延长使用寿命。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例：
宽带激光熔覆 Ni-WC复合涂层
1、熔覆材料体系：基材为 38CrMoAl，涂层材料为 Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉末。
2、工艺：激光输出功率为 2.2kw，扫描速度为 3mm/min，送粉率为 9g/min，光斑尺寸为 15mm× 1.5mm。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例：
宽带激光熔覆 Ni-WC复合涂层
1、熔覆材料体系：基材为 38CrMoAl，涂层材料为 Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉末。
2、工艺：激光输出功率为 2.2kw，扫描速度为 3mm/min，送粉率为 9g/min，光斑尺寸为 15mm× 1.5mm。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例：
宽带激光熔覆 Ni-WC复合涂层
3、效果：复合涂层熔覆区主要是由 g -Ni、
WC,W2C,M23C6及 M7C3 所组成；涂层厚度为 1mm；稀释度为 7%；涂层合金最高硬度为 900HV0.1。
4、应用范围,a)轴件修复； b)新产品，以提高使用寿命。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
3．有色金属激光涂履激光表面涂覆可以从根本上改善工件的表面性能，很少受基体材料的限制。这对于表面耐磨、耐蚀和抗疲劳性都很差的铝合金来说尤为重要。但是，有色金属特别是铝合金表面实现激光涂覆比钢铁材料困难得多。铝合金与涂覆材料的熔点相差很大，而且铝合金表面存在高熔点、高表面张力、高致密度的 Al2O3氧化膜，
所以，涂层易脱落、开裂、产生气孔或与铝合金混合生成新合金，难以获得合格的涂层。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
3．有色金属激光涂履研究表明，避免涂层开裂的简单方法是工件预热。一般铝合金预热温度为 300℃ ～ 500℃ ；
钛合金预热温度为 400℃ ～ 700℃ 。国内对
ZL101铝合金发动机缸体内壁进行激光涂覆硅粉和 MoS2，获得 0.1mm～ 0.2mm的硬化层，
其硬度可达基体的 3.5倍。铝合金的激光熔覆已在国外获得应用。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术熔覆电机转子
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术搅拌桨 煤机齿轮轴
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
5,激光表面冲击硬化,以 高功率密度的脉冲激光在极短的时间内照射金属表面，使表面金属剧烈气化，产生了强的机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。
6.1.2 激光表面处理工艺激光冲击硬化是正在开发的一种材料表面改性技术
，它不仅可以大大提高材料的强度和硬度，而且能有效提高钢、铝、钛等合金的抗疲劳性能。
材料科学与工程学院表面改性技术由于冲击波持续的时间短，因而产生的变形很小，
适于处理成品零件。如果用激光冲击硬化处理齿轮和轴承等精加工的工作面，就可以阻止处理部位裂纹的扩展。
因此，激光冲击硬化对提高材料的安全性、可靠性和使用寿命具有重要意义。
各种材料经过激光表面改性处理以后，可以得到硬度很高、晶粒和组织很细的强化层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。
虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术用激光冲击波对飞机结构中的紧固件进行处理，其紧固件的高频疲劳寿命，处理后比处理前要延长 100倍，这对提高飞机的性能起着决定性的作用。另外，用激光照射铝合金表面，由于冲击硬化，铝合金构件的疲劳寿命和焊缝强度得到显著改善。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光表面改性对性能的影响各种材料经过激光表面改性处理以后，可以得到硬度很高、晶粒和组织很细的强化层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。
虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。
第六章 材料表面高能束技术材料科学与工程学院表面改性技术一、力学性能
1．硬度比感应热处理的硬度略高
T12钢,1050HV
T8钢,980HV
45钢,780HV，
W19Cr4V高速钢,1000～ 1100HV。
原因：马氏体产生变形，马氏体的细化、残余奥氏体的数量减少和存在碳化物等因素有关。
材料科学与工程学院表面改性技术
2．疲劳性能对 15MnVN,25CrMnSi等低含碳量的钢进行激光相变强化,疲劳寿命有较大幅度的提高。
3．耐磨性能利用各种激光表面强化方法对钢进行强化，提高耐磨性能的效果是很显著的。
灰口铸铁、球墨铸铁等材料，经过激光表面强化以后，提高耐磨性的效果也是显著的。
材料科学与工程学院表面改性技术二、残余应力对钢进行激光表面强化以后，能够造成表面残余压应力，到一定深度后，残余应力的性质转变为拉应力。例如，对 42CrMo钢用
152W激光互搭扫描后，表面残余压应力可达
19.6～ 68.6MPa，到 0.1mm深度后转变为残余拉应力，达到 176.5～ 323.6MPa左右。表面残余压应力的存在，有利于提高钢的疲劳强度，推迟钢铁零件在工作过程中裂纹的萌生和发展。
材料科学与工程学院表面改性技术激光电镀：激光可以提高金属的沉积速度，同等面积可使金属的电沉积速度提高三个数量级以上。
温度升高，搅拌作用！
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光气相沉积激光气相沉积是以激光束作为热源在金属表面形成金属膜，通过控制激光的工艺参数可精确控制膜的形成。目前已用这种方法进行了形成镍、铝、铬等金属膜的试验，所形成的膜非常洁净。用激光气相沉积可以在低级材料上涂覆与基体完全不同的具有各种功能的金属或陶瓷，这种方法节省资源效果明显，受到人们的关注。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光化学气相沉积 是将激光照射至 TiCl4＋
H2＋ CO2,或 TiCl4＋ CH4的混合气体中,由于激光的热分解作用,在基体上沉积出 TiO2或
TiC膜层 。 激光化学气相沉积法是半导体产业的一种新型激光技术,采取此法可进行 空间选择的光辐射,在照射区成膜,只需一道工序就可同时进行成 膜和图案的制作,使器件满足用户的要求,这是半导体工业的一次性革命开拓,利用此法可制作金属,半导体,电介质等薄膜。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光物理气相沉积 是利用激光照射并使陶瓷材料瞬间蒸发，然后沉积到基体材料表面上，以形成各种陶瓷层，例如,TiN,WC、
SiN4,BN,SiAlON陶瓷层等。
这种方法可以实现高性能和小型化的机械零件（如轴承、滑动零件）高精度和高寿命的要求，陶瓷层的耐磨性和自润滑性能优良。
6.1.2 激光表面处理工艺
激光束2
电子束3
离子束4
材料科学与工程学院表面改性技术6.1 激光束表面处理技术最引人注目的技术之一成功地走向工业化生产应用传统的表面处理技术相竞争提高制品的性能和寿命获得极大的社会效益和经济效益材料科学与工程学院表面改性技术6.1 激光束表面处理技术相位一致方向性好波长单一优越的聚光性可以获得很高的能量密度高能束表面改性技术中的一种主要手段材料科学与工程学院表面改性技术6.1 激光束表面处理技术
激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。
激光照射到材料表面表层材料受热升温激光作用后冷却激光被吸收变为热能固态相变 /熔化 /蒸发材料科学与工程学院表面改性技术加热速度快,105-109℃ /S
自冷速度高,＞ 104 ℃ /S
输入功率小，工件变形小可局部加热精确控制：线加工自动化但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积
6.1 激光束表面处理技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。
波长越短，吸收率高越粗糙，越易吸收温度升高、吸收越多：熔点 40-50%，沸点 90%
杂质影响吸收黑化处理：碳素 /磷化 /油漆
6.1 激光束表面处理技术材料科学与工程学院表面改性技术激光相变激光电镀：阴极加热激光物理气相沉积激光化学气相沉积
6.1 激光束表面处理技术激光熔融激光表面冲击材料科学与工程学院表面改性技术
1,激光相变硬化,在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。
加热和冷却速度高,105～ 109℃ /S
高硬度：比常规淬火提高 15%～ 20%
变形小：加热层薄 疲劳强度高
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术由于激光加热速率极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。
因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。
冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术低碳钢 可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体
。
中碳钢 可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬度 HV达 800，比一般淬火硬度高出 100以上；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术高碳钢 也可分为两层：外层是隐针马氏体；
内层是隐针马氏体加未溶碳化物。
铸铁 大致可分为三层：表层是熔化－凝固所得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏体。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。
----直升飞机辅助动力装置的行星齿轮
----飞机主传动装置的传动齿轮用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。
----采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比氮化处理快 14倍，且所得到的硬化层比经过
10～ 20h氮化处理的硬化层还厚，质量优良，几乎无变形。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例内燃机活塞环激光相变硬化活塞环是内燃机易损基础件之一 。 为提高活 塞 环 耐 磨 性 延长 其 使 用 寿命,对由
42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光相变硬化处理。
工艺,激光输出功率 1.65kw，扫描速度
22mm/s，光斑直径 3mm。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化效果,激光硬化区主要是由细长板条马氏体和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为
713HV0.1；硬化层深为 0.5mm；激光硬化表面光洁度基本保持不变，变形量满足形位公差要求。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变硬化技术对轴颈进行强化处理。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化工艺,激光输出功率 1.1kw，扫描速度
17mm/s，光斑直径 4mm。
效果,激光硬化区主要是由针状马氏体、
奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬度达 HRC60以上；硬化区层深为 1mm；使用寿命提高 3倍。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术编号 零件名称 材 料 优点或效果
1 锭杆 GCr15 硬化区深 0.94mm，峰值硬度 980HV0.1,相对耐磨性提高 10倍
2 成形刀 高速钢 刀具耐用度提高 2.5～ 3.5倍，切削速度提高7～ 8倍
3 气缸套 铸铁 比硼缸套寿命高 25％，与活塞环配制寿命提高 30％
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精密仪器 V型导轨
45钢 较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品率高
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术轴毂激光表面淬火 大型浸没辊大型齿轮 滚道辊
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术铸铁缸套内壁齿圈硬化层深
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术6.1.2 激光表面处理工艺卷曲机大面积激光相变材料科学与工程学院表面改性技术
2,激光表面熔凝处理,利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，
并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术。
细化铸造晶粒过饱和固溶体减少偏析非晶体改变表层结构
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光熔化淬火处理后的 ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的
1/10，硬度可提高 30%左右。
AA390铝合金，处理前合金组织中镶有 60μm大的 Si颗粒，处理后硅的颗粒变为 1～ 4μm。
铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松，
用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时把表面层细化。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术为了提高灰铸铁及球墨铸铁的耐磨性，采用激光加热表面熔化－结晶处理使其表面白口化，可显著提高耐磨性，这种处理方法在生产上使用较多。如采用二氧化碳激光器对铬钼合金铸铁活塞环进行熔化一结晶处理，
可获得由细小碳化物与隐晶马氏体所组成的极细莱氏体。莱氏体的硬化层深度为 0.10～
0.20mm，硬度为 1000～ 2000HV。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术通过快磨试验、汽车台架试验与装车考核试验证明，活塞环的磨损量减少，
使用寿命提高。
采用激光加热表面熔化 --结晶处理灰铸铁，在白口区硬度达到 1070～
1210HV。美国阿尔科公司利用这种方法处理灰铸铁的凸轮轴等零件，表面形成莱氏体组织，硬度为 52～ 54HRC。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术与表面淬火相比，显著地提高了耐磨性和抗蚀性，缩短了热处理时间，保证了产品质量。印刷邮票用的辊式打孔器，辊外径为
365mm，长 645mm，壁厚 9.7mm；辊筒材料为 50钢。辊面上需使用程控钻床打出 2.5万个 φ0.98mm的孔。过去因打孔器技术没过关
，以致不能满足需要。我国现已采用激光处理的办法使孔刃部达 60HRC以上，攻克了这一难题。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术切割石材锯片激光熔凝轧辊硬度显著提高
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗磨损性能。
激光扫描处理 Fe－ P－ Si合金得到的非晶态硬化层的硬度是基体硬度的 5～ 6倍。
航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少
50%。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光非晶化就是用激光的手段在金属表面上制得非晶层的技术，有有时称之为激光上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。
采用激光扫描处理 Fe－ P－ Si合金得到的非晶态硬化层的硬度为 1300～ 1500HV，是基体硬度的 5～ 6倍。目前国内外对激光非晶态处理给予极大的关注，认为它是制作非晶态合金的一种很有前途的技术。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光非晶体的应用正在开发中。美国工艺研究中心采用此工艺在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少
50%。该工艺已应用于生产 F－ 15型战斗机用的 F100型发动机上。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
3,激光表面合金化,利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化，在很短的时间内，形成不同化学成分和结构的表面合金。可获得理想合金或亚稳态合金。
区域合金化有效利用能量精确控制密度和深度不规则零件合金
6.1.2 激光表面处理工艺激光合金化是表面改性处理的新方法，特别适用于工件的重要部位的处理，这样既改善了工件的使用寿命，
又可简化工艺和节约昂贵的整体合金。激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨、耐蚀性等性能。
材料科学与工程学院表面改性技术
（ 1）铁基系在某些情况下，钢中加入 Cr,Ni,Mo等贵重元素不是为了提高整体强度，而是为了防止环境对表面的损伤，此时采用表面合金化可使成本大大降低。例如，用 70%Cr－ 30%Ni的金属粉末对一般碳钢进行激光表面合金化，表面可获得
29%Cr-13%Ni的合金，该合金在 1mol/L H2SO4
中的极化曲线与 18-8不锈钢的极化曲线相似，有几乎一样的钝化能力，即具有相同的耐蚀性。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
（ 2）有色金属系在铝合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究。例如以 Si合金化可达到的硬度是 200HV，以 Cu合金化可达
300HV，以 Fe合金化可达 300～ 500HV，
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
（ 3）金属硅化物激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属触点。 1978年 Poate等人用双频激光辐照，把 Pt,Pd和 Ni膜合金化到 Si中，试样表面被熔化并在横向产生非常均匀的合金层，其平均成分可通过改变膜厚和激光功率在一定的范围内变化。用连续波激光加热固体有可能形成单相硅化物。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术过钢量 1.5-2倍，寿命增加
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
4,激光表面熔覆,在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，
可获得具有原来特性和功能的强化层。
激光表面熔覆于 1981年被成功地应用于大型喷气客机涡轮叶片发动机的高压透平叶片护罩后，
引起了重视，目前已经成为国内外激光表面改性研究的热点。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
1．激光包覆激光包覆工艺是继激光淬火之后，第二个在工业中获得应用的一种激光表面改性技术。激光包覆适用于易磨损、腐蚀和受冲击的零件，无论是在包覆展质量还是在工艺性和经济性方面均优于传统的堆焊和热喷涂工艺，其工业应用前景广阔。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
1．激光包覆激光包覆是选择硬度高、耐磨、耐蚀和抗疲劳性能好的材料包覆工件表面，然后用大功率激光束扫描，将包覆材料熔化到基体表面，形成包覆层。激光包覆具有粘结牢靠，包覆层厚度容易控制，操作简单和加工周期短等优点。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
1．激光包覆英国已采用计算机控制的激光包覆工艺取代手工氩弧堆焊工艺，在发动机涡轮叶片上包覆钴基合金，可得到无气孔、无裂纹的高性能包覆层，工效提高 11倍，成本降低 80%，钴基合金的消耗量减少 50%。
另外，在制造电接触器时，用激光包覆工艺取代化学涂覆工艺，在铜基体上包覆银层，可大大提高生产率和降低成本消耗。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
2．陶瓷层激光涂覆火焰喷涂和等离子喷涂等热喷涂的方法广泛用来进行陶瓷涂覆。但所有这些方法都不能令人满意。因为它们获得的涂层含有过多的气孔、熔渣夹杂和微观裂纹，而且涂层结合强度低，易脱落
。这会导致高温时由于内部硫化、剥落、机械应变降低、坑蚀、渗盐和渗氧而使涂层早期变质和破坏。使用激光进行陶瓷涂覆，即可避免产生上述缺陷，提高涂层质量，延长使用寿命。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例：
宽带激光熔覆 Ni-WC复合涂层
1、熔覆材料体系：基材为 38CrMoAl，涂层材料为 Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉末。
2、工艺：激光输出功率为 2.2kw，扫描速度为 3mm/min，送粉率为 9g/min，光斑尺寸为 15mm× 1.5mm。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例：
宽带激光熔覆 Ni-WC复合涂层
1、熔覆材料体系：基材为 38CrMoAl，涂层材料为 Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉末。
2、工艺：激光输出功率为 2.2kw，扫描速度为 3mm/min，送粉率为 9g/min，光斑尺寸为 15mm× 1.5mm。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术应用实例：
宽带激光熔覆 Ni-WC复合涂层
3、效果：复合涂层熔覆区主要是由 g -Ni、
WC,W2C,M23C6及 M7C3 所组成；涂层厚度为 1mm；稀释度为 7%；涂层合金最高硬度为 900HV0.1。
4、应用范围,a)轴件修复； b)新产品，以提高使用寿命。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
3．有色金属激光涂履激光表面涂覆可以从根本上改善工件的表面性能，很少受基体材料的限制。这对于表面耐磨、耐蚀和抗疲劳性都很差的铝合金来说尤为重要。但是，有色金属特别是铝合金表面实现激光涂覆比钢铁材料困难得多。铝合金与涂覆材料的熔点相差很大，而且铝合金表面存在高熔点、高表面张力、高致密度的 Al2O3氧化膜，
所以，涂层易脱落、开裂、产生气孔或与铝合金混合生成新合金，难以获得合格的涂层。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
3．有色金属激光涂履研究表明，避免涂层开裂的简单方法是工件预热。一般铝合金预热温度为 300℃ ～ 500℃ ；
钛合金预热温度为 400℃ ～ 700℃ 。国内对
ZL101铝合金发动机缸体内壁进行激光涂覆硅粉和 MoS2，获得 0.1mm～ 0.2mm的硬化层，
其硬度可达基体的 3.5倍。铝合金的激光熔覆已在国外获得应用。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术熔覆电机转子
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术搅拌桨 煤机齿轮轴
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术
5,激光表面冲击硬化,以 高功率密度的脉冲激光在极短的时间内照射金属表面，使表面金属剧烈气化，产生了强的机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。
6.1.2 激光表面处理工艺激光冲击硬化是正在开发的一种材料表面改性技术
，它不仅可以大大提高材料的强度和硬度，而且能有效提高钢、铝、钛等合金的抗疲劳性能。
材料科学与工程学院表面改性技术由于冲击波持续的时间短，因而产生的变形很小，
适于处理成品零件。如果用激光冲击硬化处理齿轮和轴承等精加工的工作面，就可以阻止处理部位裂纹的扩展。
因此，激光冲击硬化对提高材料的安全性、可靠性和使用寿命具有重要意义。
各种材料经过激光表面改性处理以后，可以得到硬度很高、晶粒和组织很细的强化层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。
虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术用激光冲击波对飞机结构中的紧固件进行处理，其紧固件的高频疲劳寿命，处理后比处理前要延长 100倍，这对提高飞机的性能起着决定性的作用。另外，用激光照射铝合金表面，由于冲击硬化，铝合金构件的疲劳寿命和焊缝强度得到显著改善。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光表面改性对性能的影响各种材料经过激光表面改性处理以后，可以得到硬度很高、晶粒和组织很细的强化层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。
虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。
第六章 材料表面高能束技术材料科学与工程学院表面改性技术一、力学性能
1．硬度比感应热处理的硬度略高
T12钢,1050HV
T8钢,980HV
45钢,780HV，
W19Cr4V高速钢,1000～ 1100HV。
原因：马氏体产生变形，马氏体的细化、残余奥氏体的数量减少和存在碳化物等因素有关。
材料科学与工程学院表面改性技术
2．疲劳性能对 15MnVN,25CrMnSi等低含碳量的钢进行激光相变强化,疲劳寿命有较大幅度的提高。
3．耐磨性能利用各种激光表面强化方法对钢进行强化，提高耐磨性能的效果是很显著的。
灰口铸铁、球墨铸铁等材料，经过激光表面强化以后，提高耐磨性的效果也是显著的。
材料科学与工程学院表面改性技术二、残余应力对钢进行激光表面强化以后，能够造成表面残余压应力，到一定深度后，残余应力的性质转变为拉应力。例如，对 42CrMo钢用
152W激光互搭扫描后，表面残余压应力可达
19.6～ 68.6MPa，到 0.1mm深度后转变为残余拉应力，达到 176.5～ 323.6MPa左右。表面残余压应力的存在，有利于提高钢的疲劳强度，推迟钢铁零件在工作过程中裂纹的萌生和发展。
材料科学与工程学院表面改性技术激光电镀：激光可以提高金属的沉积速度，同等面积可使金属的电沉积速度提高三个数量级以上。
温度升高，搅拌作用！
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光气相沉积激光气相沉积是以激光束作为热源在金属表面形成金属膜，通过控制激光的工艺参数可精确控制膜的形成。目前已用这种方法进行了形成镍、铝、铬等金属膜的试验，所形成的膜非常洁净。用激光气相沉积可以在低级材料上涂覆与基体完全不同的具有各种功能的金属或陶瓷，这种方法节省资源效果明显，受到人们的关注。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光化学气相沉积 是将激光照射至 TiCl4＋
H2＋ CO2,或 TiCl4＋ CH4的混合气体中,由于激光的热分解作用,在基体上沉积出 TiO2或
TiC膜层 。 激光化学气相沉积法是半导体产业的一种新型激光技术,采取此法可进行 空间选择的光辐射,在照射区成膜,只需一道工序就可同时进行成 膜和图案的制作,使器件满足用户的要求,这是半导体工业的一次性革命开拓,利用此法可制作金属,半导体,电介质等薄膜。
6.1.2 激光表面处理工艺材料科学与工程学院表面改性技术激光物理气相沉积 是利用激光照射并使陶瓷材料瞬间蒸发，然后沉积到基体材料表面上，以形成各种陶瓷层，例如,TiN,WC、
SiN4,BN,SiAlON陶瓷层等。
这种方法可以实现高性能和小型化的机械零件（如轴承、滑动零件）高精度和高寿命的要求，陶瓷层的耐磨性和自润滑性能优良。
6.1.2 激光表面处理工艺
