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激光束表面改性技术 |
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作者：The Fabricator杂志 George Krauss |
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激光束和电子束都可提供高能量的直接热源，并应用在许多表面改性技术中。由输入功率所决定的高能束可被用于切割与焊接、表面熔融与合金配制、以及局部热处理上。
焊接和切割要求功率最大、激光束和电子束的聚焦能力最强，这样才可实现既深又窄的高质量焊缝或切缝。随着高强度能量源的不断问世，这项（表面改性）技术也得到极大程度的发展。
除激光和电子束加热方法外，
还有许多更新的表面改性处理技术正应用在铁合金上
激光表面热处理
在各种激光和电子束表面改性技术中，局部表面热处理技术发展最快，商业应用也最广。
辐射光子的入射与基底材料的电子结构相互作用，这是激光和电子束的加热原理。入射的能量迅速在表层下转换成热量。
对于激光束而言，表层的深度为几十纳米左右; 对电子束而言，表层的深度约为几微米。具体深度要取决于加速电压的大小，一般在10至100千电子伏特（keV）范围内。电子束处理必须在真空中进行，而激光束则不受此限制，所以在生产操作中具有更多的灵活性。
"激光"一词表示"受激励发射的光放大产生的辐射"之意。现已开发出三种不同的激光器：钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）、二氧化碳激光器（CO2）和受激准分子激光器。
Nd:YAG激光器的工作波长为1.06μm，广泛应用在焊接和钻孔上。CO2激光器在商业应用上的输出功率最大，操作在红外线范围内，通常工作波长为10.6μm。而最新研制成功的受激准分子激光器工作在近紫外线范围内，其波长介于0.193 至0.351μm之间。激光能够被反射，这取决于材料的反射特性及工作波长的长短。
因此，为了进行有效的激光加热，必须选择能够被工件吸收的波长，或者受照射的工件表面须涂上一层吸光材料。
激光表面热处理技术通常被应用于钢件或铸铁的机械零件进行局部硬化处理。由于吸收激光能量而产生的热量在整个工件体内进行传导，工件表面局部区域获得快速冷却而转化成马氏体。若热量得到控制以阻止其散失，所以可有选择地使表面局部区域奥氏体化。
这个处理方法有时被称作激光相变硬化以区别于激光表面熔解现象。激光表面加热处理时没有发生化学变化。激光加热除了可以实现感应淬火和火焰淬火外，还提供了一种可选择性地使铁质材料硬化的有效加工技术。
激光热处理可产生迅速受热或冷却的表面薄层区域，形成精细的马氏体微型结构，即使对于可淬性相对较差的钢制品，情况也是如此。使用这种加工方法，工件的硬度高、耐磨性好、而变形较小。与感应加热和火焰加热情形不同，激光加热时光源与工件可保持一定距离，激光受镜面反向返至聚焦透镜，这样就可对被加热区域的尺寸或加热轨迹进行控制。
Molian已将激光相变硬化技术的50种应用特性制成表格。受硬化的材料包括碳素钢(1040,1050,1070)、合金钢(4340,52100)、工具钢及铸铁（灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁）。表中还列出了吸收能量的涂料名称。钢件的硬化层深度典型值为250～750μm，而铸铁件的硬化层深度典型值约为1,000μm。
激光传送系统的灵活性和激光自身的低失真及表面硬化能力强等特点，使其能对不规则形状机械零件（如凸轮轴、曲柄轴）上的易磨损、易疲劳区域进行非常有效的局部硬化处理。与激光热处理相似，电子束也被应用在钢件表面的硬化处理上。
激光加热的速度极其快（纳秒量级），通过向基底未加热区域进行热传导而完成的冷却过程也相对较快。加热与冷却的精确速率取决于许多因素，例如：输入功率、照射时间、激光脉冲调制以及受热基底材料的表面特性和整体特性。
加热速率和冷却速率可以达到每秒108～1010（10的8次方）摄氏度，使得固化过程特别快。因此，可以形成非常精细的非均衡微型结构，极端情况下，可以在迅速冷却的表面层中形成新的亚稳结晶态、玻璃质或非晶形结构、或高度过饱和状态。
Perepezko 和Boettinger描述了材料系统中各种可能的均衡度。根据均衡相图，在真实的均衡情况下，各种共存态具有均匀的结构结构组成。只有在高温、长时间退火或缓慢冷却条件下，才能达到真实的均衡态。
当迅速冷却时，只有在稳相和亚稳相的界面处才可以达到均衡。在极端情况下，即使这样的局部均衡被破坏，根据扩散的情况，会发生很大的渐缓相或抑制相相变。这样，通过快速固化表面被熔化的合金，能够形成许多新的具有独特特性的微型结构。
激光表面熔融与合金配制
伴随着非常快的凝固速率，表面熔融和合金配制为表面改性提供了极难得的机会。它是目前高度活跃的一个研究与发展领域。
如前面所描述的那样，激光表面合金配制包括了激光表面熔融和冷却，另外，还改变成分以对表面结构和特性的变化施加影响。在激光熔融之前使用另一种表面改性技术或在激光熔化的区域中喷入粉末，从而形成具有与基底不同化学特性的表面层，这样就实现了合金配制。
无论是使用激光直接熔化还是使用激光表面合金配制，总之，采用激光处理技术的目的就是要形成一个非晶形（表）层或玻璃质（表）层，这种处理方法称激光抛光。在硅、钯铜硅合金、以及铁镍磷硼合金中形成玻璃质层较容易，而在金属和其它合金中则困难的多。
例如，激光抛光可促进非晶形化，但对硼化的铁和工具钢进行激光抛光，研究结果并无提供产生非晶态结构的证据。显然，在已熔化表层和未熔化基底晶体结构的界面上很容易发生晶相的成核作用。不管怎样，激光表面合金配制的工具钢的表层硬度非常高(2,100 HV)，含有很精细的硼化物颗粒。有时侯，会发生破裂和多孔现象。
M42高速工具钢激光表面熔化时在表面微型结构上会产生巨大的变化。M42钢通常包含1%的碳[C]、8%的钴[Co]、1.5%的钨[W]、1.1%的钒[V]、3.75%的铬[Cr]和9.5 %的钼[Mo]，并且由于形成碳化物的成分含量高，因此加工形成的大部分微型结构是粗糙的一次碳化物（结构）。
激光束表面改性技术在更多种（微型）结构上的应用前景将更加广阔。
总结
本文回顾了激光束和电子束技术在铁合金表面改性上的应用。
除了激光和电子束加热方法外，还有许多更新的表面改性处理技术正应用在铁合金上。等离子体渗氮、机械零件激光硬化及刃具和模具的PVD（物理气相沉积）涂层似是目前应用最广的方法。它们应用在电子行业的同时，还首先应用在高价值、关键性机械零件上。这样，更高的质量及改进的性能才是使用更高技术所增加成本的最合理结果。
激光束表面改性技术在更多种（微型）结构上的应用前景将更加广阔。为使应用效果最好、技术成本最低，开始时就应该将构造和材料的设计及具体某个部件的生产程序加以集中考虑。(end)
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(11/5/2004) |
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