激光淬火技術

2024年3月29日發(作者：情書英文)

第一章 緒論

自從光之驕子——Lar問世以來，激光技術作為一門舉世矚目的高新技術，幾

乎在各行業都獲得了重要的應用。目前正處于激光開始向傳統制造技術中的許多工

藝過程積極滲透的階段，在這之前的傳統加工工藝貫穿著整個加工制造行業，激光

加工技術的出現必將引起加工制造行業新的變革。激光加工技術被譽為“未來制造

系統的共同加工手段” ，將成為21世紀世界工業中的骨干產業之一。

激光加工技術具有效率高、質量優、清潔環保、加工范圍廣等到特點，解決了

傳統加工中許多無法解決的問題。有人預測，激光加工和激光先進制造技術將引起

一次新的工業革命。激光加工代表當前先進制造業的發展方向，各發達國家和先進

的發展中國家都把激光加工技術作為提高生產效率和提升其國際競爭力的重要手

段。

激光加工技術是利用激光束高度集中的能量，按所需的位置和時間，以預定的

量值，準確地投射到材料表面上，通過與材料的能量傳遞，使材料表面瞬間獲得很

高的能量以改變其狀態，從而實現材料加工的目的。材料的激光加工主要包括激光

表面淬火(lar surface hardening)、激光表面合金化(lar surface alloying)、激光熔覆

(lar cladding)、激光焊接(lar welding)、激光切割(lar cutting)及激光鉆孔(lar

drilling)等。使用不同的加工方法可以實現不同的加工目的，關鍵在于激光的能量及

其與材料的相互作用特點。

激光表面熱處理技術是激光加工技術中的一個重要方面，利用高功率密度激光

束對金屬零件表面進行處理，可對材料實現表面淬火、表面重熔、表面熔覆以及表

面合金化等表面改性的目的。激光表面處理能夠通過激光淬火及表面重熔工藝來改

變基體表層材料的微觀結構，還可以通過激光熔覆、氣相沉積和合金化等處理方法

同時改變表層的化學成份和微觀結構。激光表面淬火是現有激光表面處理技術中最

早研究和應用最多的方法之一。近年來激光表面熱處理技術不僅在研究和開發方面

得到迅速發展，而且在工業應用方面也取得了長足的進步，成為表面工程中的一個

十分活躍的新興領域。雖然目前激光表面淬火技術的應用還不如傳統熱處理技術那

樣廣泛和成熟，但由于其具有的獨特優越性，正日益受到人們的重視，已經在機械

制造、交通運輸、石油、礦山、紡織、冶金、航空航天等許多領域得到良好的應用

1

和發展，特別是在汽車工業中，激光表面改性幾乎可用于發動機中所有耐磨零件，

如輪軸、曲軸、缸套、缸體、活塞環、環槽、排氣門和閥座等上的加工。

1.1激光表面淬火機理

激光的發光原理是光的受激輻射，使處在激發態的原子受到外來光的激勵作用

而躍遷到低能級，同時發出一個與外來激勵光子完全相同的光子，從而實現光的放

大。激光所激發的光具有同樣的波長和相位并且按相同的方向傳播，激光的四大特

征分別是高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。

激光束所表現出的優良特性，尤其是高亮度和高方向性受到材料工作者的重視，

這對于激光表面淬火具有決定性的意義。它可以將高度集中的能量，按所需的位置

和時間，以預定的量值，準確地投射到材料上，通過與材料的能量傳遞，使材料獲

得很高的能量以改變其狀態，從而實現材料加工的目的。

激光表面淬火是以高能密度的激光束作為熱源的表面熱處理。處理過程是將激

光束掃描于金屬材料表面，其紅外能量被金屬表面吸收而迅速升溫從而達到很高的

溫度（即加熱至金屬的相變溫度以上，且控制在熔點以下），使金屬發生固態相變。

隨著激光束離開金屬表面的加熱處，表面材料表面的熱量依靠金屬本身的熱傳導迅

速向內部傳遞而形成極大冷卻速度，可以靠自激冷卻使材料表面淬火，實現表面硬

化。

一般情況，表面淬火熱處理時激光束的功率密度為10

4

~10

5

W/cm

2

，當激光束

作用于金屬材料表面時，金屬表面主要產生溫升及相變而基本上沒有出現局部熔化

的現象，激光束離開金屬表面時局部冷卻速度可達10

4

~10

6

℃/s。由于激光超快加

熱條件下過熱度大，造成相變驅動力很大，奧氏體形核數目劇增，奧氏體形核既可

發生在原晶界和亞晶界處，也可在相界面和其它晶體缺陷處發生，同時瞬間的奧氏

體化使起始晶粒來不及長大，而激光束就已移開，加之自激淬火處理的冷速極快，

在激冷到馬氏體轉變起始溫度Ms后，固態相變必然獲得細小的馬氏體組織。

激光表面淬火快熱快冷的過程也使金屬中各元素的擴散均勻化來不及進行，使

淬火組織中碳及合金元素濃度的不均勻性增大，從而造成了兩方面的結果：一方面

因為成分的不均勻性使得微觀區域內馬氏體形成溫度有很大的差異，促進了細小馬

氏體組織的形成；另一方面奧氏體中原靠近碳化物近的局部區域內碳元素的固溶度

增加，隨著奧氏體向馬氏體轉變，得到高碳馬氏體，而殘余奧氏體也以碳及合金元

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