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激光热处理

激光热处理功率高、加热和冷却率快、定位******，可解决传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题。同时激光热处理又是一种表面热处理技术，即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理改性。

1.激光热处理原理及应用

激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。由于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬火等热处理效果。激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。适用材料为中、高碳钢，铸铁。激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高230HBW提高到680HBW，使用寿命提高2~3倍。

2.激光热处理特点

激光相变硬化（或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火）、表面合金化等表面改性处理，可产生用常规表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到60HRC以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达70HRC以上，从而提高抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能，延长使用寿命。激光热处理技术与其它热处理如高频淬火、渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：

（1）无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面的组织结构，处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅一般可达0.1～0.8mm。

（2）处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层表面是致密的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性。

（3）被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（2～10s），故零件的热变形区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的朂后处理工序。

（4）加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。

3.其他激光表面改性技术

激光热表处理改性技术还包括激光熔覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击强化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的力学性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。

（1）激光熔覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一，具有很好的经济性，可大大提高产品的抗腐蚀性。

（2）激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法，是未来应用潜力更大的表面改性技术之一，适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。

（3）激光退火技术是半导体加工的一种新工艺，效果比常规热退火好得多。激光退火后，杂质的替位率可达到98%～99%，可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/3～1/2，还可大大提高集成电路的集成度，使电路元件间的间隔缩小到0.5μm。

（4）激光冲击强化技术能改善金属材料的机械性能，可阻止裂纹的产生和扩展，提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。在航空发动机叶片维修上得以应用来提高其抗外来物破坏和疲劳使用性能。

（5）激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度，速度比无激光照射快1000倍，对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大意义。使用该技术可使电镀层的结合力大大提高。

（6）激光上釉技术对于材料改性很有发展前途，其成本低，容易控制和复制，有利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术，在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其他电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。

4.激光热处理特点

高功率、高速率加热和冷却、定位******，可获得常规热处理难以获得的组织结构、硬度和使用性能，具有很高的性能，很大的发展前景和市场潜力。

5.激光热处理现状

由于设备一次性投入大、操作技术要求高等问题制约了激光热处理在工程中的推广应用；由于材料对激光能量的吸收率有待提高和设备研发技术水平尚需提升，国内激光热处理工艺技术和设备装备都还处于研发阶段，只有少数成熟的工艺技术在工业上得到了应用，但也有待推广。

6.未来发展趋势与应用前景

需要加强材料对激光能量利用率的研究以提高激光能量的吸收率；对于铝合金、钛合金等材料制品还需要研究不同气氛保护下的热处理效果以及生产效率。此外，加大高功率、高精度、高性能的设备研发也是推动激光热处理技术在工业上应用的关键，尤其是高功率、高频率、高稳定性的固体激光器冲击强化设备的研制，已严重限制和影响了我国装备的实力水平。