引言
激光是人類在20世紀繼原子能、計算機和半導體之后的又一重大發明。激光是一種受激輻射相干光源，其形成是在一定條件下，光電磁場和激光工作物質相互作用，以及光學諧振的選模作用的結果，是清潔、環保的新型能源。激光加工技術由于具有傳統加工方法無可比擬的優點，受到世界工業發達國家的重視，我國的激光應用研究開始于20世紀60年代。半個多世紀以來，這門具有多種優點和發展潛力的新興技術，已成功地應用在醫學、軍事、通訊、印刷、微電子、農業育種及基礎科學研究等方面，提高了制造業的加工水平和產品性能，影響并改善著人們的生活。在表面處理技術領域，將激光技術與傳統加工技術相結合的應用成果也呈現逐步上升的趨勢，突出地表現在激光增強電鍍、激光增強誘導化學鍍、激光氣相沉積、激光材料改性及激光表面精飾等方面，本文擬對這些應用技術做簡要介紹。
1 激光強化沉積技術
1.1 激光增強電鍍
1978年，美國IBM公司首先把激光引入電鍍技術中。研究發現，將微米級激光束照射電沉積過程的陰極表面，可以提高金屬的沉積速度。之后，美國、德國及日本等國家的研究者又陸續將噴射強化電鍍技術和激光脈沖技術結合起來，在電鍍生產中應用并發表專利，逐漸形成了一種新的激光增強電鍍技術。
激光增強電鍍技術具有以下特點：1)沉積速度快。激光增強電鍍將電解液與激光束同步射向陰極表面，使電沉積過程的傳質速度大幅提高，縮小了陰極表面擴散層厚度，鍍層沉積速度超過常規電鍍。如激光電鍍時，鍍銅10μm/s、鍍金1μm/s，激光噴射電鍍時，鍍銅50μm/s、鍍金10μm/s。2)激光束能提高電沉積過程中晶核生成速度，使鍍層結晶更細微致密，提高了鍍層的力學性能。3)激光束的局部熱效應可以進一步凈化陰極表面，增強鍍層與基體的結合力。4)由于激光束的強聚焦能力，可以實現用計算機控制激光束的運動軌跡，得到復雜圖形的無屏蔽鍍層。上述特點使傳統電鍍的加工水平和鍍層性能得到了提高。
在45鋼表面進行激光強化鍍鎳，與普通鍍鎳相比，鍍層硬度提高200HV，耐磨性能提高1.5倍，鍍層殘余應力降低200MPa，鍍層與基體結合強度很高。有研究顯示，在常溫及無攪拌情況下，采用C02激光，功率密度為200kW/m2，Jk為1A/dm2，t為1min，鎳鍍層沉積速度為4.25nm/s，表面Ra由0.37μm變為0.14μm，鍍層平整，結晶細致，抗蝕能力得到了提高。此外，把激光強化應用在納米微粒復合電刷鍍技術中，能提高納米微粒在鍍層中的質量分數，降低鍍層的應力，使鍍層具有更好的理化特性和機械性能。
應用激光技術實現無屏蔽、無接觸式的局部電鍍，實現了對傳統電鍍工藝的突破。在微電子元件、電腦元件及大規模集成電路制造和維修中意義重大。目前，應用激光電鍍技術已經能在各種基體材料上無掩膜屏蔽鍍覆良好的銅、金、鎳及鉑等局部鍍層，代替了傳統加工時需要局部屏蔽或全部鍍覆后再刻蝕掉非工作面的加工方法，為微電子制造開辟了一條經濟、有效和便捷的加工途徑。
1.2 激光增強誘導化學鍍
化學鍍是在無電流通過的情況下，金屬離子在還原劑作用下通過氧化還原反應在具有催化劑的金屬或非金屬表面獲得沉積層的方法。利用激光的熱效應和光效應可以增強和激發化學鍍的過程。激光增強誘導化學鍍除了具備激光電鍍的特點外，還有以下優點：1）使化學鍍在較低的溫度下進行，節省能源。2）延長化學鍍液的使用壽命，增加鍍液工作周期。3）工藝簡便易行，鍍層均勻，裝飾性好，孔隙率低。
利用激光增強誘導化學鍍在普通陶瓷基體上沉積鎳，與普通化學鍍相比，激光誘導化學鍍的沉積速度提高了兩個數量級，鍍層表面平滑、結晶顆粒規則致密。某專利公開了一項利用激光誘導進行選擇性化學鍍的方法。該方法是在非金屬基體上光涂布聚乙烯吡咯酮一銀膠，然后采用激光輻射，輻射區的膠體銀離子被還原嵌入基體中，再將未輻射區的膠體銀離子洗掉，得到嵌有圖形的銀離子基體，然后進行化學鍍銅、鎳或銀，得到微米級圖形化的鍍層，線條分辨率達25μm，鍍層δ為2μm，附著力符合GB4677.7-84國家標準。
1.3 激光氣相沉積
氣相沉積是制造各種功能薄膜的技術。按成膜原理可分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)。傳統的PVD技術是使用真空蒸發或濺射，使鍍膜材料汽化在基體表面成膜，加工的基本環節是將靶材汽化、輸送和成膜。采用激光束照射蒸鍍材料，激光高能量使蒸鍍材料汽化，然后在基體上成膜就是激光物理氣相沉積技術(LPVD)。由于激光具有的高能量，能汽化材料的范圍很廣，包括非導電陶瓷和高熔點材料，形成對PVD技術的強化。目前利用IPVD技術，已從金屬膜沉積發展到半導體膜、介質膜、非晶態膜、摻雜膜及超硬質膜的制造。
利用激光對傳統化學氣相沉積進行強化稱為激光化學氣相沉積(LCVD)，其原理是利用激光能量誘導化學反應，產生游離狀原子或分子沉積在基體表面形成薄膜。LCVD技術的優點是低溫、選擇性好、分辨率高、沉積速度快及不損傷基體等。舉例說，用傳統方法在工具鋼表面沉積高硬度的TiN薄膜可以大幅提高零件的使用壽命；但由于傳統工藝溫度高，一般需1000℃左右，這將導致基體退火軟化，因此成膜后必須對零件重新在保護氣氛下（防止TiN膜被氧化）淬火及回火，使工藝過程復雜；而應用LCVD技術不會引起基體硬度降低，使工藝過程大為簡化。LCVD技術應用在切削工具和磨具制造中，常用的涂層有TiN及TiC，可以大幅提高耐磨性能和抗高溫氧化性能。
近年來，應用激光強化氣相沉積技術，已成功制造出超硬、耐磨、抗氧化、超導、光敏、磁記錄、信息存儲、光電轉換及吸收太陽能等各種功能涂層，應用在宇航、自動化、微電子制造及核能利用等領域，對現代高端科學技術的發展起著十分重要的作用。
2 激光材料表面改性
為了滿足現代制造業對材料表面各種性能的需要，表面改性技術應運而生且得到不斷發展。在各種改性技術中，激光表面改性獨具特色。激光束具有高亮度、高單色性和高相干性，功率密度可達1PW/m2，當材料表面受到高能束激光輻射時，吸收光子的能量轉化為熱量，表面溫度升高，在不同溫度下，材料表面會出現固態相變、熔化、汽化及等離子現象。經歷了迅速升溫和急驟冷卻的過程之后，會發生晶粒細化和相變硬化，能有效地提高表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性及抗疲勞性。
2.1 激光表面淬火
表面淬火是激光用于材料表面加工最早也最成熟的加工技術。激光表面淬火是將聚焦的激光束對零件表面迅速加熱，使材料表層快速升溫至相變臨界溫度以上，使內部組織轉變為細小的奧氏體組織，而材料內部仍在相變溫度以下，保持原有的組織狀態。自激冷卻后，工件表層獲得細致的馬氏體組織，從而提高了表面硬度和耐磨性，而零件內部基體沒有發生改變，仍然保持原有的強度和韌性。
為了提高材料表面對激光的吸收率，淬火前要預處理，在需要淬火的部位涂覆高吸收率的涂層，如磷化膜、氧化膜及鍍層等。激光淬火功率密度為10MW/m2～1GW/m2。
傳統的熱處理淬火工藝，在加溫、冷卻和零件清洗過程中會產生廢渣和廢液。如鹽浴加熱中使用的氯化鋇、氯化鈉、硝酸鉀及冷卻介質的水、油、熔鹽及熔堿等，產生對環境污染的危險物質，并造成對從業者的危害，激光淬火完全避免了這些情況的發生。此外，由于激光淬火升溫快、冷卻快，避免了傳統熱處理工藝容易造成工件變形、開裂和尺寸超差的弊病。對要求變形量小的復雜結構零件，尤其是盲孔、深槽、尖角、微小區域及刀具刃部，處理后可直接使用。激光淬火常用于模具、齒輪及軸類等的表面強化，相對于傳統工藝，表面硬度可提高5%～10%，耐磨性能可提高2～5倍。
2.2 激光表面合金化
表面合金化的目的是使材料表面獲得各種合金材料的優越性能，這是節約貴重金屬、提高產品零件性價比的有效途徑。使材料表面合金化的方法有電沉積法和熱熔法。激光表面合金化是熱熔法，電鍍合金鍍層和激光表面合金化的工藝特點及合金層結構可謂各有千秋，呈現出不同的品貌。
用電鍍法制備合金鍍層的歷史已經很久了。研究過的合金鍍層有200多種，但應用于工業生產的只有十分之一左右。電鍍合金層較薄，一般在100μm以下，鍍層與基體的結合力受電沉積過程，包括前處理中諸多因素的影響。合金鍍層是非平衡狀態下的金相結織，甚至形成非晶態組織。在不同工藝條件下電沉積同一組成的合金，其金相組織也可能不同，這是因為電鍍液工作溫度通常在100℃以下，遠低于金屬的熔點。而且，鍍液成分、溫度和電流密度等工藝條件也會對鍍層組織結構產生影響。鍍層中可能有金屬間化合物，還可能出現固溶體的組成區域擴散等。電鍍法的優勢在于可以制備熔點相差較大及性能優異的非晶合金層，是熱熔法所不及的。
激光表面合金化是在高溫狀態下形成的。加工過程首先是將欲添加的合金成分通過電鍍、熱噴涂或氣相沉積等方式涂覆于基體表面；也可以采用氣體將合金成分的細粉直接噴射在基體表面，然后進行激光束掃描，功率密度為100MW/m/2～10GW/m2，利用高溫將合金材料熔化，冷卻后形成了合金表面。很明顯，這與電鍍合金鍍層不同。激光表面合金化生成的合金層是在高溫熔融狀態下形成的共熔體，合金層組織結構為平衡的金相組織，合金層與基體間呈純粹的冶金結合，有極強的結合力。此外，激光表面合金化制備的合金層種類更寬泛，熔池深度可達0.5～2.0 mm，材料表面耐磨性能和耐腐蝕性能更為優異。20鋼加入Ni和WC粉末進行表面合金化處理，耐磨性可提高5倍以上。45鋼表面加入Cr和C元素進行激光表面合金化獲得的表層合金，可生成類似不銹鋼材料的表面，在15%HN03溶液中浸泡3h仍保持良好的金屬光澤。
2.3 激光熔覆
激光熔覆是利用高能激光束把與基體不同成分和性能的被覆材料與基體表層迅速熔化，在基體表面形成很薄的熔覆層的加工方法。施加的激光束功率密度為100MW/m2～10GW/m2，處理深度為0.2～5.0mm。與激光表面合金化不同的是形成合金時，基體對表層合金的稀釋率要小。稀釋率是指在熔覆過程中，基體材料混入熔覆的合金成分而發生的改變，用基體材料占熔覆層的質量分數表示，激光熔覆一般小于8%。熔覆材料多為鎳基、鐵基、鈷基和金屬陶瓷等粉狀物質，根據被加工零件對耐磨、耐熱及耐腐蝕性的不同要求做適當選擇。熔覆材料可以熱噴涂或粘結方式預先置于加工部位，也可采取同步送料，在激光束照射時將定量的熔覆材料加熱后落人零件表面的加工部位，熔覆后零件表面迅速冷卻，造成熔覆層很薄，最小6僅為62.5μm，熱影響深度0.25～12.70mm，組織極為細致和致密，甚至形成亞穩相、非晶態和超彌散組織。熔覆層具有低稀釋率、低孔隙率及微裂紋，與基體形成優異的冶金結合。
激光熔覆的主要目的是在廉價金屬表面獲得高性能的合金，降低制造成本，提高零件耐磨、耐腐蝕及耐高溫氧化等綜合性能。在高溫狀態下工作的飛機發動機高壓葉片，經CO2激光，同步送粉，在氮氣環境中進行表面熔覆加工，比傳統加工方法減少合金材料用量的50%，并節約加工工時60%以上。某兵器零件，基體為LY鋁合金，采用CO2激光，同步送粉，熔覆材料為d=20-40μm的SiC粉末，氬氣保護，在零件表面制備出與基體結合力良好，以SiC顆粒為增強相的鋁基金屬陶瓷復合熔覆層，硬度為900-1100HV，耐磨性能顯著提高。
2.4 激光非晶化
激光非晶化又稱激光熔凝，是利用高能激光束掃描輻射，功率密度為100GW/m2～1TW/m2，使零件表面鍍層快速熔化，并以100k℃/s以上快速冷卻至結晶溫度以下，使熔融狀態來不及結晶、同時抑制熔體外延長大，處于無序狀態形成非晶體，表面形成超細的微觀組織，材料的微觀裂紋熔合，成分偏析消除，形成類似玻璃狀的硬化層，故有“金屬玻璃”之稱。非晶化處理一般不需要預置吸光物質，只需要被加工表面有一定的粗糙度即可進行加工。激光非晶化處理多用于鑄鐵和鑄造合金材料的改性，處理后的表面容易生成鈍化膜，臨界鈍化電流密度降低，減少材料受電化學腐蝕傾向，提高了耐腐蝕疲勞性能。
含粗顆粒初生硅d=60μm的鑄造鋁硅合金，基體為Al-Si共晶體，經適當熔凝處理后，得到均勻的d=1～4μm細硅粒，材料硬度提高。40Cr鋼經熔凝處理后，旋轉彎曲腐蝕疲勞壽命提高3～8倍。
值得一提的是以往非晶化處理是在基體材料表面形成非晶態薄膜。近年來，國內外科學家致力于研發制造比塑料易塑、比不銹鋼更剛的真正意義上的“金屬玻璃”功能材料。這種非晶態合金有超高比強度、大彈性變形和低熱膨脹系數的特點，用于衛星太陽能電池陣及空間探測器的伸展機構制作。20cm螺旋狀的盤壓伸桿打開后能達到2m高度。
3 激光表面精飾加工
利用高能激光束對材料表面進行局部照射，材料表層因受熱迅速發生汽化或物理和化學變化，露出深一層或導致顏色改變，出現不宜退掉的明顯痕跡，或通過激光熱效應燒掉表層物質，利用這一現象，可以在材料表面刻蝕出各種文字、線條及圖形等。激光刻蝕可以代替化學腐蝕、機械刻蝕及電火花加工。其特點是適用范圍廣，幾乎可以適用于所有材料的表面精飾加工；加工過程為非接觸式，無毒無污染發生；精飾圖形牢固、耐磨損，長時間保持無變色；精度高，線條可達到微米級、裝飾效果極強。如在鍍鉻層6=20μm的板上采用脈沖激光刻蝕，使鉻層發生均勻汽化，刻蝕出的線條連貫均勻，線寬75～80μm。在太陽能電池硅片制造中，用激光刻蝕可以加工d=0.1mm的圓孔。
近年來，利用微機控制圖形軟件和激光刻蝕技術相結合進行各種文字、商標、條形碼及復雜圖形的表面刻蝕加工，已作為防偽技術應用在各類名優產品上。
4 結束語
激光表面處理技術具有獨特的優點。激光加工為非接觸形式，被加工件變形小，生產效率高，易于實現自動化生產，是對傳統加工方法的有力挑戰。應用激光表面處理技術，可以大量節約貴重材料及能源，使材料表面獲得各種優異的力學性能及電化學性能，為現代制造業的優質、高產和清潔生產拓展了一條新路。
目前，應用激光的表面處理工程技術存在的問題是：1）激光加工設備一般由激光器、導光系統、控制系統及輔助系統組成，一次性投資較大，影響了它的普及和應用廣泛性。2）激光加工特別適合成批量的生產，在單件和小批量生產中應用存在風險，加工成本相對較高。3）激光表面處理技術只有部分應用于工業生產，有些尚處于研究開發階段。
為推進激光表面處理工程技術的發展，要深入開展對激光加工機理的研究，提出并逐步健全激光表面加工的數學模型，預測加工過程中的影響因素和實現工藝參數的最優化，實現經濟效益的最大化。此外，還要造就一批具備光學、材料學、電化學及機械加工工藝學等專業知識的復合型人才，推動激光表面處理技術的研發和實踐應用。
21世紀人類進入了低碳時代，環境保護和清潔生產的意識不斷增強。激光，這支科技園中的奇葩，必將更加絢麗多姿。激光表面處理技術的應用前景將更廣闊。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://www.hanmeixuan.com/
本文標題：淺談激光表面處理技術及應用
相關文章
