浅谈激光对材料表面处理的作用分析论文
激光对金属材料表面的处理，方法多种多样，得到的效果也不一样，但其在很多方面可以满足人们对材料的一些特殊要求。如相对硬化技术可以让材料的硬度和耐磨性得到很大的提高，并且不会改变材料原有的形状;玻璃化技术可以让金属表面玻璃化;均匀化技术可以提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性，但是表面会有一定熔化，所以形状会发生一些变化;表面合金化技术会让材料表面有一层新合金;激光喷漆技术表面会有一层新材料。但是由于技术发展历史比较短，所以对其理论和实践都还需进一步地探讨，就这个问题，文章展开分析。
1、激光对材料表面处理的原理
激光具有高能量密度的特性，而这也就是激光对材料表面处理的原理。在材料表面作用激光光束，当金属里的自由电子和激光光子互相碰闯时，会提高金属带电子的能量。能量会进一步转换为晶格振动能，体现出热量的形式。要穿透金属光子的能量还达不到上限，金属表面就会集中许多能量，温度会迅速升高至熔点和相变点温度，再加上金属导热性能好的原理，基体会迅速接收到散发的热量，形成了很高的冷却效果，这样材料表面结构就会出现结晶，并均匀分布合金元素，从而提高了硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
激光对材料表面处理效果的三要素，也是三个重要的参数，分别是激光功率、光束尺寸和扫描速率。由于这三个要素直接决定了熔化宽带和熔化深度，而熔化宽度和熔化深度又直接影响材料表面的结构、应力和成分等等。激光功率增加熔化深度也会随着线性增加，熔化宽度直接由光束尺寸所决定，熔化深度和熔化宽度会随着扫描速率提升而下降。而在一定功率下，功率密度和光束的面积成反比，合理的选择三个要素对材料处理的工艺效果会不同。
2、激光对材料表面处理种类
2.1 激光对材料表面的扫描技术
把材料的表面用能量很高的激光束扫描过后，材料表面局部会先熔化，而这就会加快材料的熔化速度。按温度在材料表面的高低，可以分为两种激光扫描技术，激光熔凝技术和激光相变技术。其利用的是材料晶体在不同温度下会有不同的原理，然后迅速冷却高温，会形成介稳的结构。在材料表面用合适的激光束照射，让照射区的温度最快提升到一定温度，并使淬火的温度小于一定温度小于熔化温度，保持一定的时间，然后迅速冷却，原子就没有时间恢复到低温时的稳定结构，从而形成介稳结构。在这一过程中还注意冷却时候一定要迅速，硬化深度误差一定要小，温度保持时间一定要确定在最小保留时间。
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热进行熔化，温度达到合金元素与材料的熔化温度，使两者在材料表面充分地混合，冷却后表面形成合金。
2.3 激光表面均匀化
把材料表熔化，把材料表面的所有晶体都溶解开来，同时迅速淬火，达到各个晶体相互混淆不能被明显区分。由于材料表面的张力作用，所以对过程进行的控制，可以有效地减少张力作用。粗颗粒的材料进行这样处理后晶粒的抗腐蚀性会得到提高。相对于含有碳化物的工具，通过这样的处理过后，表面的硬度会大大提高。
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获得10度每秒的淬火速度，这样足以熔化液体超冷却到玻璃状态的温度，接着材料表面会呈现出玻璃状结构。
2.5 激光喷镀
将一种喷镀粉末吹入有激光熔化材料的表层中，由此生成新表面材料的过程，就是“激光喷镀”。这样可以清除表面的砂眼并且提高喷镀材料粉末在表面的粘附力度，所以经过激光喷镀形成的材质表层比一般的牢固，不仅成为了独立的工艺，还方便对气体喷镀的善后处理。 在此工艺过程中，需要小心控制喷镀粉末的流速。若流速过大，会降低粉末在材料表面的沉淀速率;若流速过小，则会造成镀层过于稀薄。
2.6 激光表面合金化的抗腐蚀性
激光表面合金化是利用激光熔化与表面涂覆的合金而发生合金化反应形成合金的方法。依靠添加的抗腐蚀性合金元素与表面晶粒细小化来提高材料的抗腐蚀性能。 在处理工艺上，一般采用的是双束工艺，通俗的做法就是先用一束激光进行合金化处理，然后再用第二束激光进行均匀化处理，让合金化过程中尚未熔化的合金成分充分地融入其中。此工艺经过验证，也确实证明了双束工艺拥有均匀化的作用。
3、结束语
随着现代生活的高速发展，越来越多的激光处理材料出现在人们的生活中，这证明激光处理材料对于人类社会的发展非常重要。相对未经过激光处理的材料来说，激光处理材料无化学污染，表面硬化可以被精确控制，抗腐蚀性也比未经过激光处理的材料更加强大，多样化的激光处理方式增加了工艺多样化。可见激光对于材料表面处理的作用对人们来说是必不可少的，由于这类工艺出现的时间较短，所以有的地方也有待加强。总之，通过不地的改良和改善，不断创新新的工艺，会让激光对材料表面的处理技艺对人类的影响越来越大，同时也会使材料处理方式的技艺更加完美。
【拓展内容】
关于金属材料表面的激光抛光研究进展的论文
[摘要]金属材料表面的激光抛光，作为一种新型的激光加工工艺，具有抛光效率高、材料去除效果好、材料利用率高等优点。在介绍了激光抛光材料类型的基础上，对比分析了金属材料抛光过程中所使用激光器的类型，论述了激光抛光金属材料表面过程中的理论模型方法，详细总结了激光抛光金属表面的工艺参数和抛光效果，并对激光抛光金属材料的现状和发展方向进行了评价和展望。
[关键词]材料 金属材料 激光加工 抛光 理论模型 工艺参数
1、激光抛光金属材料类型
1.1模具钢、工具钢和不锈钢材料的激光抛光
激光抛光金属的研究，目前应用在模具钢的报道最多。最早提出将激光抛光应用在X40Crl3模具钢表面，并通过实验得到平整光滑的抛光表面。选择注塑模镶件中所用的，硬度为62HRC的DINl.2379工具钢来进行激光抛光实验。做出了很多工作，他们选择AISI-01冷作模具钢。采用激光，对经过电火花加工处理的C45钢、X40CrMoV51工具钢进行了抛光研究。同时采用具有52HRC硬度的DIN1.2344工具钢和激光烧结的AISI 420渗铜不锈钢来进行激光抛光实验。研究了s7工具钢材料的激光抛光特性。使用AISI H13模具钢来进行激光抛光实验，选择Fe，Al，Ti和304不锈钢几种金属材料进行了抛光对比实验研究。作为模具和汽车行业中经常用到的球墨铸铁材料，由于其具有游离的石墨形态、较高的'熔化温度，因此一般很难被抛光，使用GGG70L球墨铸铁材料来进行激光抛光实验研究验证。Smith等[7，36]使用304不锈钢模具来作为抛光材料，也采用304不锈钢来研究金属表面在激光抛光作用下的熔化现象。使用激光，对铣削加工后的316 L不锈钢进行抛光实验，用选择性激光熔化316 L不锈钢材料来进行激光烧蚀抛光实验，而直接对316 L材料进行抛光实验，也采用316L材料来进行激光抛光实验研究。
1.2钛合金材料的激光抛光
钛合金具有极其优良的物理和化学性能，如强度高、质量轻和耐腐蚀等。可以被应用于电子、冶金、航天技术和医学等各个领域。钛合金目前以Ti6A14V材料研究最多。很多学者都选择Ti6A14V来进行激光抛光实验。选择用激光抛光，应用于工业纯钛抛光的同时实现表面改性。使用脉冲激光沉积方法，得到光滑的Ti64材料表面。使用VT16钛合金来进行激光抛光实验。
1.3其他金属材料的激光抛光
在其他金属材料方面，目前应用最多的是采用激光技术直接或者间接地抛光激光烧结的金属产品。采用激光来抛光一种选择性激光烧结铁铜合金零件。采用激光，对选择性激光烧结的铜合金表面进行抛光，用激光来抛光烧结青铜，采用LaserForm ST-100的烧结青铜件来进行激光抛光实验。
2、金属抛光激光器的选择类型
2.1气体激光器的应用
最先采用2500 w的C02激光器，用于金属表面的激光抛光实验研究。后来也使用这种激光器来进行抛光研究。对高硬度的DIN 1.2379工具钢进行激光抛光实验时，选择了一个2.5 kW的C02激光器和一个3.1 kW的高功率二极管激光器。
2.2固体激光器的应用
激光抛光金属材料最关键的因素之一是选择合适的激光器，目前来说，Nd：YAG激光器以其卓越的性能，被最多的应用于金属材料的抛光研究中。早在2001年，就开始研究Nd：YAG（1064nm）激光器来抛光金属材料，2004年，就研究使用532 nm波长的Nd：YAG固体激光器来抛光金属表面。成功使用Nd：YAG激光器（1064 nm）来抛光金属材料表面，使用一个连续（CW）Nd：YAG激光器进行激光表面抛光，使用一个266 nm波长的Nd：YAG激光器来进行激光抛光实验。同时采用波长为1064和532nm的Nd：YAG皮秒激光器来抛光金属表面。选择一个Yb：YAG激光器，波长1.03/Lm的激光器来做抛光实验。选择了双束激光器来进行激光抛光实验，其中一个Yb：YAG激光器用来预热金属表面，另外一个Nd：YAG（1064nm）激光器用来抛光金属表面。开始尝试使用超短的皮秒激光器（波长1030nm）来进行激光抛光实验，这种激光器使激光与金属材料相互作用的时间非常短，激光作用在材料上几乎不产生热影响区。因此，采用这种激光器对金属材料的抛光将是一个重大的突破。
2.3半导体和其他激光器的應用选择
1070nm波长的光纤激光器来进行金属表面的抛光实验，通过二极管来控制激光器的开关。使用波长1.07μm的脉冲光纤激光器来进行激光抛光实验。对316L进行抛光实验，分别选择532nm波长的CW半导体激光器和35513.m波长的大功率紫外激光器（AVIA355-3000）组合的方式，来同时进行抛光金属实验。他采用CW半导体激光器来控制输出的激光的能量密度，采用紫外激光器来进行抛光。使用KF准分子激光器，对几种金属表面进行了抛光实验。
3、展望
激光抛光应用在金属材料上，作为一种新型的加工技术，已经得到越来越多的研究者的关注。这种方法具有其独特的优越性，它是一种非接触式抛光方法，灵活性强，既可以对材料整体抛光，又可以局部抛光。其抛光在大气环境中进行，对材料没有限制。通过对这种技术的进一步深入研究，可以为现代工业提供一种高效率、高柔性、低成本、工艺相对简单的抛光方法。激光抛光金属这项技术虽然有其许多优点，但目前对其研究工作还不是很多。其本身的限制条件也是一个重要原因。如由于激光器类型的限制，很多激光不能应用在金属表面的抛光中。正是近年来激光器的不断发展，才有很多学者开始尝试使用新型的激光器对金属表面进行抛光。因此，作为激光抛光的最大的限制条件，开发出新的激光器是目前的最大的研究需求之一。此外，三维（3D）增材制造现在是一个研究热点，而一般3D增材制造得到的金属表面都比较粗糙，使用激光对这种金属表面进行直接抛光是最好的方法。但是目前激光对3D增材制造的表面抛光的文献报道还不是很多，因此，关于这方面还有大量的研究工作可以进行。进一步的研究还需要开发新的激光抛光金属表面的模型，为激光抛光工艺参数的选择建立一个知识库。同时，对激光抛光表面的其他特性，如表面摩擦性能、微/纳米表面裂缝的形成进行全面描述，另外，对于选择不同的材料进行激光抛光时，抛光工艺参数的快速选择和优化也是一个需要研究的方向。
4、结束语
激光抛光作为一种有效的抛光方法，完全有可能替代人工抛光。但是，仅仅通过实验来证明激光能抛光金属材料本身是远远不够的，深入的分析激光与材料相互作用的机理是很有必要的。目前的研究工作，主要是围绕机理形成、建模计算、工艺实验、分析结果等几方面进行，但总体研究水平尚处在初步的探索阶段，进入实际的企业生产应用还需要一定的时间。
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