激光處理技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用

1、激光處理技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用摘要:簡述了激光表面改性技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，特別是激光沖擊硬化與激光鍍技術(shù)。對各項技術(shù)的原理、特點和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀加以描述，重點是對激光表面處理技術(shù)在實踐工程中的應(yīng)用加以敘述。關(guān)鍵詞:激光技術(shù)激光沖擊硬化激光鍍實踐應(yīng)用激光加工技術(shù)的研究始于20世紀60年代,但是到1970年代初研制出大功率激光器之后，表面處理技術(shù)才獲得了實際的應(yīng)用，并在近十年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。它不僅可以改善材料表面形成一定厚度的處理層、改善表面力學(xué)、冶金、物理性能，從而提高了弓箭的耐磨、耐蝕等性能。隨著激光技術(shù)在具體應(yīng)用中優(yōu)勢一步步得以體現(xiàn)，其在軍工、航天、汽車等領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)作用也被彰顯出來。

2、1激光表面處理技術(shù)的發(fā)展1.1激光沖擊硬化激光沖擊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產(chǎn)生的強力波，沖擊金屬表面使其產(chǎn)生塑性變性，提高力學(xué)性能的一項技術(shù)。比較有代表的是Jos6AntonioPreza,JosHuisOcaabandCarlosMolpeceresb1提出的混合控制結(jié)構(gòu)結(jié)合了模糊邏輯控制器，用純潔的整體行動，均完全脫鉤,改善與合理的設(shè)計成本過程是因為該系統(tǒng)的非線性完全由模糊控制器組成部分補償，而整個行動有助于消除穩(wěn)態(tài)誤差。1.2激光鍍技術(shù)激光鍍技術(shù)是1990年左右由IBM公司首先開展研究的，可以說是一門很新的表面處理技術(shù)。隨著近些年的發(fā)展，已從單一的提高鍍發(fā)展到

3、研究電子的微處理技術(shù)。但近幾年已有了長足的進步，已從單一的提高速度發(fā)展到研究在電子的微組裝中的應(yīng)用。由于激光鍍具有高空間分辨率，可在非電子材料（陶瓷、微晶玻璃、硅）上涂覆各種功能性金屬線，也可以借用CAD技術(shù)實線制作各種圖形及聯(lián)線，以引起了國內(nèi)外工業(yè)界的廣泛重視。2激光表面處理應(yīng)用2.1激光在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用鎳、鉻軟磁合金用于航天飛機繼電器，根據(jù)目前在航天中的使用情況,GYTI30合金的磁性能、抗蝕性能（與推進劑的相容性）和機械性能基本滿足用戶的使用要求。但在加工和制造的過程中發(fā)現(xiàn)，由于GYTI30磁性材料含Cr量僅為13%，在零件加工和存儲的過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)銹斑，這對衛(wèi)星推進系

4、統(tǒng)的控制十分不利。因此迫切需要研制一種抗大氣環(huán)境腐蝕能力明顯優(yōu)于GYTI30合金的新型抗蝕軟磁合金，在磁性能較GYTI30合金不出現(xiàn)大幅降低的前提下，綜合性能較GYTI30合金上一個臺階并保證材料的耐蝕性、抗泄漏性、可焊性及機械性能全面滿足衛(wèi)星的需求。激光表面強化（LSP）是一種新型的表面強化技術(shù)。它是利用脈沖激光作用于材料表面，使金屬材料表面產(chǎn)生強烈的塑性形，在激光沖擊區(qū)位錯產(chǎn)生纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)類似于經(jīng)爆炸沖的材料的亞結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)明顯改變了材料的表面硬度、屈強度和疲勞壽命。而對鎳基合金,一些學(xué)者也研究了激光理對其力學(xué)及顯微組織的影響。比如通過激光輔助對材料進行激光沖擊處理后GYTI30和G

5、YTI70分別提高了280%和170%;GYTI30和GYTI70材料的硬度分別提高了25%、24%,耐磨性分別提高了78%、76%。2.2激光在冶金領(lǐng)域的具體應(yīng)用鎂合金激光表面處理技術(shù)鎂合金激光表面處理是指能改變表面合金成分且細化表面晶粒，從而提高合金的耐腐蝕和耐磨擦性能。方法主要有化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化、微弧氧化、表面滲層、表面電鍍等。這些方法均存局限性，要么對環(huán)境有較人的污染，要么所得的涂層保護性能較差。而激光處理技術(shù)則對于以上缺點都能得到極大的改善。鎂合金激光表面重熔是利用較高能量密度的激光束直接照射鎂合金表面，使一定厚度的表層快速熔化，之后基體在空氣中自然冷卻，熔池凝固，從而使表面得到強

6、化的方法。這種處理可以使鎂合金表面組織發(fā)生較大變化，包括晶粒細化、顯微偏析減少、有非平衡相生成等,這些都可以引起表面強化。G.Abbas等用功率為1.5kW的激光對AZ31、AZ61和WE43進行表面重熔，所用激光掃描速率為160mm/s,光斑直徑為2mm,搭接率為50%，重熔過程中采用氬氣保護，冷卻后熔層深度為1mm,處理后試樣沒有明顯的裂紋和氣孔。鎂合金激光表面合金化是利用高能激光束將鎂合金表面快速加熱，從而將預(yù)置在合金粉末及表層的基底材料熔化為液態(tài)，然后使在空氣中自然冷卻。J.DuttaMajumdar進行了SiC粉末在鎂合金表面激光合金化的研究。激光光斑直徑為4mm,處理過程中，送粉率

7、為20mg/s,熔道搭接率為25%。鑄鐵汽車模具材料的激光表面處理在模具（特別是汽車覆蓋件模具）的使用過程中，其表面狀態(tài)直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和模具的使用壽命，特別是在模具的重復(fù)使用過程中，模具表面承受著各種形式的復(fù)雜應(yīng)力，包括摩擦、擠壓等，加上服役條件的惡劣,從而限制了模具的使用質(zhì)量和壽命。研究表明：導(dǎo)致模具的失效和疲勞損傷大都發(fā)生在模具表面或從表面開始。因此提高模具的使用壽命，對模具工作面提出了越來越高的要求。開展高密度能量表面強化技術(shù)，特別是激光表面強化處理技術(shù)，對于制造業(yè)特別是汽車制造業(yè)具有深遠的意義。通常用正交試驗法中的L9選優(yōu)方案，以光功率P、掃描速度V、光斑直徑D(B)3個因子，各3

8、個水平，對CrMo鑄鐵材料進行寬帶(線性光斑也稱為矩形光斑)和窄帶(圓形光斑)掃描方式激光相變硬化試驗研究。在激光功率等其它參數(shù)不變的條件下，由于該層含有大量的高碳馬氏體，使得硬化層的硬度得到大幅度提高。而硬度深度隨掃描速度的增加而減小。模具的原有缺陷如疲勞裂紋、組織疏松對激光相變硬化處理有著一定程度的影響，這些缺陷的存在，很容易導(dǎo)致經(jīng)激光相變硬化處理后材料表面裂紋的擴張。因而事先須做好防范措施。激光沖擊處理可用于多種金屬板材結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)的表面強化或粉末冶金零件表面的致密化處理。以提高金屬表面顯微硬度、耐磨性、疲勞性。參考文獻JoseAntonioP&eza,JoseLuisOcaabandCarlos,Molpeceresb,AppliedSurface,Science,Vlume254,Issue4,15December2007,Pages879-883,Lasersynthesisandproce