激光表面改性 Laser surface modification

2022-11-10 13:30:35 浏览:242

定义

使用激光束工艺改变材料的表面特性。

激光材料加工中的各种工艺旨在改变表面的各种特性 - 金属部件,陶瓷,玻璃和聚合物。 这些过程通常涉及大量加热,但其中许多不能被理解为纯粹的热过程。 通常,激光束与工件直接相互作用,有时还会与施加到表面上的其他材料相互作用。

该领域的一般术语是激光表面改性和激光表面工程。 根据工艺的具体目的,有时取决于所涉及的物理机制,表面改性技术以特定术语命名,例如激光硬化、激光重熔、清漆、退火、激光珩磨、玻璃珐琅或合金化——本文解释了各种此类技术。

在某些情况下,表面改性可以用光辐射完成,但不能用激光产生。 例如,有时使用准分子灯。

某种表面修饰用于创建可见图案;这样的过程称为激光打标。 然而,本文集中讨论改善机械或化学表面特征的方法。

激光表面改性的优势

在某种程度上,激光表面改性技术与传统的非激光工艺竞争,例如机械工艺,与传统加热技术的热工艺(例如火焰)和电化学工艺竞争。 基于激光的工艺通常具有以下优点:

  • 它们可以精确地应用于表面的某些部分,例如孤立的窄条纹或小矩形,而相邻的材料基本上不受影响。
  • 处理时间通常相当短,这在经济上是有利的。
  • 由于在许多情况下不需要直接接触,因此避免了工具的污染和磨损。
  • 即使在难以接近的位置,例如在小直径钻孔内,也可以实现表面改性。
  • 该过程可以轻松实现自动化,通常也可以与其他加工步骤完全集成。

激光表面改性技术示例

钢和铸铁的激光硬化

一个特别重要的工业激光应用是富碳钢和铸铁的硬化。 在这里,将表层加热到大约1000°C,然后适当快速冷却,基本上改变了碳在钢结构中的整合方式:从奥氏体(钢的高温形式)转变为马氏体,这是一种硬度大大提高的非平衡状态。 同时,硬化层以下的块状材料(厚度为1 mm或2 mm)不受影响,这可能是有利的,因为随着硬化而增加的脆性。

激光硬化过程仅涉及用中等强度的激光束加热表面一小段时间;然后热量向下传导。 当激光束关闭或移开时,表面会迅速冷却,主要是通过热传导到散装材料中。

激光硬化的典型工业应用是制造机器零件,这些零件在运行过程中必须承受很大的力。 例如,涡轮叶片、弯曲工具和齿轮就是这种情况,通过对表面进行这种硬化处理,它们可以变得更长。

有关详细信息,请参阅有关激光硬化的文章。

激光重熔、上光和退火

通过沉积更多的热能,零件可以在其表面熔化,当激光束关闭或移开时,熔体主要通过热传导到散装材料中迅速重新凝固。 然后,所得材料可以表现出实质性的改变机械性能。 此类更改可能由不同的过程导致:

  • 氧化物、亚硝酸盐或硫化物等非金属物质可以通过蒸发去除,从而有效地改变材料成分。
  • 晶体结构或晶粒尺寸和形状可以改变。 人们可以获得亚稳形式的材料,例如通过较慢的过程无法获得的过饱和形式。
  • 对于非常快速的冷却,一些物质可以形成不规则的玻璃基质而不是晶体基质;这就是所谓的上光。
  • 如果加热发生的时间稍长,则可以实现退火,即使材料更接近其热平衡。 例如,非晶硅可以退火以形成多晶结构;这种工艺用于显示器制造。

根据具体情况,由此产生的冷却速率可能会有很大差异:虽然在某些情况下仅达到 100 K/s,但在 10 时急剧冷却8K/s 发生在极端情况下。 冷却速率的重要因素是激光照射的强度和时间分布以及材料的导热性和热容。

激光重熔通常应用于铸铁等金属,各种钢和铝合金。 通过精确的过程控制,可以快速可靠地实现机械性能的大幅改善。

激光上光(形成玻璃层)仅适用于特殊金属合金(例如铁与碳、铬或硼)和陶瓷。 但是,如果在施加激光束之前将一些其他物质(例如陶瓷粉末的形式)放置在表面上,它也可以应用于其他金属。 这称为玻璃珐琅。 由于由此产生的颜色效果,这种技术通常用于激光打标的上下文中。

玻璃表面可以有效地进行激光抛光,例如使用CO2激光器;这也涉及薄表面层的重熔。 通过这种方式可以非常快速地生成非常光滑的玻璃表面。 在激光抛光中,几乎不会发生任何烧蚀。

激光珩磨

激光珩磨应用于内燃机的活塞和气缸,以提高其耐用性并减少摩擦。 在这里,人们将来自准分子激光器(例如氯化氙,308 nm)的强紫外线脉冲施加到金属表面。 这会导致相当强烈的表面改性,但仅限于例如 2 μm 的小深度。 该过程在氮气气氛中完成,还涉及在材料中掺入一些氮气。 形成具有纳米级结构的薄而坚固的材料层。

激光合金化

激光合金化意味着通过加入其他化学物质在表面上产生合金。 例如,这些可以以粉末的形式供应,也可以通过工艺气体(例如N2不2或 CO2). 当激光熔化表面层时,熔体可以与其他物质发生化学反应,然后在材料再次凝固时将其掺入。

例如,通过激光合金化,可以在金属表面上获得硬碳化物或氮化物,这使其更耐磨损或腐蚀。

激光纹理加工和图案化

通过激光烧蚀,可以在表面上产生精细的规则或不规则的微图案。 例如,用飞秒激光脉冲照射表面(例如硅、金刚石或聚合物)且通量接近烧蚀阈值会导致纳波纹(激光诱导的周期性表面结构),而纳秒脉冲照射会导致周期较大的涟漪,显然是由干涉产生的入射光和反射光。 还可以通过仅照射表面上的选定点或线来以受控方式生成图案。

这种激光纹理加工会导致各种表面特性的变化,例如摩擦、与其他物体的粘附、润湿性、导电性和导热性以及光吸收。 有时,此类工艺被用作进一步工艺的准备,例如涂层的应用。

热化学过程

其他基于激光的过程涉及在高温下引发的其他化学反应。 一个例子是碳化硅(SiC)表面以及氩气和氯气气氛的加工。 在这里,氯与一些硅反应,以SiCl的形式将其去除4. 剩余的碳形成石墨颗粒。 这些颗粒可以用作固体润滑剂,在耐磨性方面显着提高表面质量。

激光镀膜

激光镀膜可被视为激光表面改性的方法。 毕竟,所应用的涂层通常会显著改变导电性、硬度、摩擦力、耐磨性或耐化学性等使用性能。 有关详细信息,请参阅有关激光镀膜的文章。

激光材料加工

作          者: 泮桥成像光电商城

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