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激光表面处理技术的应用

激光熔覆的研究工作始于20世纪70年代,1981年成功地应用于喷气发动机叶轮片。激光熔覆是利用高能的激光束在金属表面辐照,使涂覆材料熔化、扩展,与基体结合并迅速凝固,在基材表面形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料。

激光熔覆技术适用于需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。应用该技术处理模具表面(见图3),既可以对己加工成坯的制造模具进行表面改性,也可以对成形模具进行表面修复。应用激光熔覆技术,可以有效提高金属材料的硬度、屈服强度、疲劳强度、疲劳裂纹扩展抗力和磨损疲劳寿命等性能。对设备的易磨损或易腐蚀零件采用激光熔覆,可使其表面产生耐磨、耐蚀、耐热等综合性能的熔覆层,大大延长零件使用寿命;在保证原零件尺寸和材料性能的条件下,可以有效地修复磨损零件表面的裂痕、崩角、密封边,实现废旧零件的再利用。采用激光熔覆修复的齿轮轴如图4所示。

与堆焊﹑喷镀、热喷涂和喷焊等传统的表面处理技术相比,激光熔覆具有以下优点:熔覆层与基体可以形成牢固结合,界面结合强度高;对基材的热影响小,引起的变形小,自动化程度高;激光熔覆属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或形成常规处理无法得到的新相;激光束的功率、位置和形状等能够精确控制,易实现选区甚至微区熔覆修复;熔覆层的稀释率小,可精确控制,熔覆层成分具有可设计性;激光融覆技术是无接触形处理,能实现自动化和柔性加工。

近年来激光熔覆用于模具修复的技术发展较快。激光能量密度高,受热范围小,可以熔覆各种金属材料,如不锈钢、铍铜、铝合金及钛合金等。

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1 000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。使用该技术还可使电镀层的牢固度提高100~1 000倍。

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、提高表面耐磨和耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。

3.激光清洗

应用高能激光脉冲去除零部件表面污物是激光技术在表面处理中的又一用途。其清洗机理有二:一是直接利用激光加热污物,使之气化挥发(或瞬间受热膨胀)并被蒸汽带离模具基体表面;二是在高能量密度、高频率脉冲激光作用下,污物层内产生分裂应力而与模具基体脱离。与传统的喷砂清洗方法相比,激光清洗具有清洗速度快、不损伤模具表面、在线清洗等优点。激光清洗技术的采用,可大大减少加工件的微粒污染,提高精密件的成品率。

激光表面处理技术是一门发展极快的新技术,正朝着智能化、集成化方向发展。将其与计算机数控技术有机结合起来,利用CAD等相关技术,可以突破传统的设计和制造模式,大大改进制造和再制造工艺。

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