激光對材料表面處理的作用分析

陳 婷（陜西省理工學校,西安 710054）

激光對材料表面處理的作用分析

陳 婷
（陜西省理工學校,西安 710054）

摘 要：隨著社會不斷的飛速發展，人們生活水平不斷提高，對生活用品的要求也越來越高。原有的焊接、打孔、切割等對材料的處理上不能達到一些特殊的要求，所以近幾年來，激光對材料表面的處理技術得以發展起來。在金屬材料表面用激光處理有五種主要的方法，相對硬化、玻璃化、均勻化、表面合金化和噴度法。本文就主要針對激光對材料表面處理的作用進行了分析。

關鍵詞：材料表面；激光處理；運用與作用

激光對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材料的一些特殊要求。如相對硬化技術可以讓材料的硬度和耐磨性得到很大的提高，并且不會改變材料原有的形狀；玻璃化技術可以讓金屬表面玻璃化；均勻化技術可以提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蝕性，但是表面會有一定熔化，所以形狀會發生一些變化；表面合金化技術會讓材料表面有一層新合金；激光噴漆技術表面會有一層新材料。但是由于技術發展歷史比較短，所以對其理論和實踐都還需進一步地探討，就這個問題，文章展開分析。

1　激光對材料表面處理的原理

激光具有高能量密度的特性，而這也就是激光對材料表面處理的原理。在材料表面作用激光光束，當金屬里的自由電子和激光光子互相碰闖時，會提高金屬帶電子的能量。能量會進一步轉換為晶格振動能，體現出熱量的形式。要穿透金屬光子的能量還達不到上限，金屬表面就會集中許多能量，溫度會迅速升高至熔點和相變點溫度，再加上金屬導熱性能好的原理，基體會迅速接收到散發的熱量，形成了很高的冷卻效果，這樣材料表面結構就會出現結晶，并均勻分布合金元素，從而提高了硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

激光對材料表面處理效果的三要素，也是三個重要的參數，分別是激光功率、光束尺寸和掃描速率。由于這三個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構、應力和成分等等。激光功率增加熔化深度也會隨著線性增加，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，合理的選擇三個要素對材料處理的工藝效果會不同。

2　激光對材料表面處理種類

2.1 激光對材料表面的掃描技術

把材料的表面用能量很高的激光束掃描過后，材料表面局部會先熔化，而這就會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，激光熔凝技術和激光相變技術。其利用的是材料晶體在不同溫度下會有不同的原理，然后迅速冷卻高溫，會形成介穩的結構。在材料表面用合適的激光束照射，讓照射區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，保持一定的時間，然后迅速冷卻，原子就沒有時間恢復到低溫時的穩定結構，從而形成介穩結構。在這一過程中還注意冷卻時候一定要迅速，硬化深度誤差一定要小，溫度保持時間一定要確定在最小保留時間。

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行熔化，溫度達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，同時迅速淬火，達到各個晶體相互混淆不能被明顯區分。由于材料表面的張力作用，所以對過程進行的控制，可以有效地減少張力作用。粗顆粒的材料進行這樣處理后晶粒的抗腐蝕性會得到提高。相對于含有碳化物的工具，通過這樣的處理過后，表面的硬度會大大提高。

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的溫度，接著材料表面會呈現出玻璃狀結構。

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，所以經過激光噴鍍形成的材質表層比一般的牢固，不僅成為了獨立的工藝，還方便對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，會降低粉末在材料表面的沉淀速率；若流速過小，則會造成鍍層過于稀薄。

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生合金化反應形成合金的方法。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行合金化處理，然后再用第二束激光進行均勻化處理，讓合金化過程中尚未熔化的合金成分充分地融入其中。此工藝經過驗證，也確實證明了雙束工藝擁有均勻化的作用。

3　結束語

隨著現代生活的高速發展，越來越多的激光處理材料出現在人們的生活中，這證明激光處理材料對于人類社會的發展非常重要。相對未經過激光處理的材料來說，激光處理材料無化學污染，表面硬化可以被精確控制，抗腐蝕性也比未經過激光處理的材料更加強大，多樣化的激光處理方式增加了工藝多樣化。可見激光對于材料表面處理的作用對人們來說是必不可少的，由于這類工藝出現的時間較短，所以有的地方也有待加強。總之，通過不地的改良和改善，不斷創新新的工藝，會讓激光對材料表面的處理技藝對人類的影響越來越大，同時也會使材料處理方式的技藝更加完美。

參考文獻：

[1]崔曉鳴,劉登瀛,淮秀蘭等.高能脈沖激光作用下材料表面溫度場[J].北京科技大學學報,2000,22(05):470-474.

[2]陳林,楊永強.激光拋光[J].激光與光電子學進展,2003,40(08):57-59.

[3]馮巍巍,劉美娟,王學勤等.特種材料表面激光散斑特征提取和識別研究[J].紅外與激光工程,2007,36(02):186-188,232.

[4]王義強,鄧猛,袁修華等.激光強化機床導軌的顯微組織及性能的試驗研究[J].材料熱處理學報,2014,35(06):163-167.

作者簡介：陳婷(1980-)，女，陜西西安人，本科學歷，講師職稱,主要研究方向：材料科學工程。