激光表面处理技术：原理、工艺及应用材料详解

激光表面处理技术：原理、工艺及应用材料详解

激光表面处理技术是一种先进的材料表面改性方法，通过高能量密度的激光束与材料表面相互作用，实现对材料表面性能的调控。这种技术在工业领域的应用日益广泛，尤其在金属材料表面处理方面展现出独特的优势。

原理

激光表面处理主要基于激光与物质相互作用的原理。当高能量密度的激光束照射到材料表面时，材料表面的原子或分子会吸收激光的能量，使表面温度在极短时间内急剧升高，达到熔化、汽化甚至等离子体状态。在激光作用停止后，由于材料基体的热传导作用，表面的高温区域迅速冷却，从而导致材料表面的组织结构和性能发生改变。这种快速的加热和冷却过程会在材料表面引入复杂的物理和化学变化，如晶粒细化、相转变、形成非晶态等，进而实现对材料表面性能的调控。

工艺流程

激光表面处理的工艺流程主要包括以下几个步骤：

1. 预处理清洗：使用有机溶剂、碱性溶液或超声波清洗等方法，去除材料表面的油污、灰尘、锈迹等杂质，以确保激光与材料表面能够良好地相互作用。
2. 打磨：采用砂纸、砂轮等工具对材料表面进行打磨，降低表面粗糙度，使激光能量能够更均匀地吸收，同时也有利于后续处理层与基体的结合。
3. 激光处理参数设置：根据材料的种类、性能要求以及处理工艺的类型，调整激光设备的参数，如激光功率、脉冲宽度、频率、扫描速度、光斑大小等，以达到处理效果。
4. 扫描方式：通过计算机控制系统或专用的激光扫描设备，控制激光束按照预定的路径和方式在材料表面进行扫描，实现对整个待处理区域的均匀处理。常见的扫描方式有直线扫描、螺旋扫描、光栅扫描等。
5. 后处理清洗与检测：处理完成后，对工件进行清洗，去除表面可能残留的杂质和飞溅物。然后采用各种检测手段，如硬度测试、金相分析、粗糙度测量、探伤检测等，对激光表面处理后的效果进行评估，确保处理后的材料性能满足要求。
6. 防护处理：根据需要，对处理后的工件进行防护处理，如涂覆防锈油、漆层或进行钝化处理等，以防止表面在后续使用过程中受到腐蚀或其他损伤。

应用材料

激光表面处理可以广泛应用于多种金属材料，以下是一些常见的类型：

铁基合金

• 碳钢：含碳量在 0.0218%~2.11% 的铁碳合金，如 Q235、45 钢等。激光表面处理可以提高碳钢表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，常用于机械制造、建筑等领域中零部件的表面强化，如轴类、齿轮、模具等。
• 合金钢：在碳钢基础上加入一种或多种合金元素的钢种，如铬钼钢、锰钢等。通过激光表面处理，能进一步改善合金钢的表面性能，使其在承受高负荷、高温等恶劣工作条件下，仍具有良好的耐磨性、抗疲劳性和耐高温性能，常用于制造发动机叶片、汽车发动机曲轴等关键零部件。
• 不锈钢：具有耐腐蚀性的铁基合金，如 304、316 不锈钢等。激光表面处理可在不影响不锈钢耐腐蚀性的基础上，提高其表面硬度和耐磨性，扩大其在食品加工、医器械、化工等领域的应用范围，例如用于制造食品加工设备的刀具、医器械中的手术器械等。

铝及铝合金

• 纯铝：具有质轻、导电性和导热性好等优点，但硬度和耐磨性较差。激光表面处理可以在纯铝表面形成硬度高、耐磨性好的强化层，提高其使用寿命，常用于电子设备、汽车散热器等领域。
• 铝合金：如 6061、7075 等，在各行业应用广泛。激光表面处理能够改善铝合金的表面性能，提高其抗腐蚀性能和疲劳强度，例如在飞机机翼、汽车发动机缸体等零部件的制造中应用激光表面处理技术，可有效提升零件的综合性能。

铜及铜合金

• 纯铜：具有良好的导电性和导热性，但强度和硬度较低。通过激光表面处理，可以在纯铜表面形成强化层，提高其硬度和耐磨性，同时不影响其导电和导热性能，常用于电气设备、电子元件等领域，如制造电线电缆的接头、电子芯片的散热部件等。
• 铜合金：如黄铜、青铜等，激光表面处理可以改善其表面的耐腐蚀性和耐磨性，使其在机械制造、仪器仪表、装饰等行业中得到更广泛的应用，比如用于制造机械零件、钟表外壳、装饰摆件等。

钛及钛合金

• 钛及钛合金具有高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，但成本较高。激光表面处理可以在钛及钛合金表面形成具有特殊性能的涂层或改性层，进一步提高其耐磨性、生物相容性等，在各个领域具有重要应用，如用于制造发动机的叶轮、人工关节、牙种植体等。

镍基合金

• 镍基合金具有良好的高温强度、耐腐蚀性和抗氧化性，常用于能源等领域中高温部件的制造。激光表面处理可以在镍基合金表面制备出高性能的涂层，提高其在高温、高压、强腐蚀等极端环境下的性能，如用于制造燃气轮机的燃烧室、喷嘴等部件。

激光表面处理技术以其独特的性能优势，在现代工业中发挥着越来越重要的作用，为材料科学和工程应用带来了新的发展机遇。