激光淬火技术

2024年3月29日发(作者：情书英文)

第一章 绪论

自从光之骄子——Lar问世以来，激光技术作为一门举世瞩目的高新技术，几

乎在各行业都获得了重要的应用。目前正处于激光开始向传统制造技术中的许多工

艺过程积极渗透的阶段，在这之前的传统加工工艺贯穿着整个加工制造行业，激光

加工技术的出现必将引起加工制造行业新的变革。激光加工技术被誉为“未来制造

系统的共同加工手段” ，将成为21世纪世界工业中的骨干产业之一。

激光加工技术具有效率高、质量优、清洁环保、加工范围广等到特点，解决了

传统加工中许多无法解决的问题。有人预测，激光加工和激光先进制造技术将引起

一次新的工业革命。激光加工代表当前先进制造业的发展方向，各发达国家和先进

的发展中国家都把激光加工技术作为提高生产效率和提升其国际竞争力的重要手

段。

激光加工技术是利用激光束高度集中的能量，按所需的位置和时间，以预定的

量值，准确地投射到材料表面上，通过与材料的能量传递，使材料表面瞬间获得很

高的能量以改变其状态，从而实现材料加工的目的。材料的激光加工主要包括激光

表面淬火(lar surface hardening)、激光表面合金化(lar surface alloying)、激光熔覆

(lar cladding)、激光焊接(lar welding)、激光切割(lar cutting)及激光钻孔(lar

drilling)等。使用不同的加工方法可以实现不同的加工目的，关键在于激光的能量及

其与材料的相互作用特点。

激光表面热处理技术是激光加工技术中的一个重要方面，利用高功率密度激光

束对金属零件表面进行处理，可对材料实现表面淬火、表面重熔、表面熔覆以及表

面合金化等表面改性的目的。激光表面处理能够通过激光淬火及表面重熔工艺来改

变基体表层材料的微观结构，还可以通过激光熔覆、气相沉积和合金化等处理方法

同时改变表层的化学成份和微观结构。激光表面淬火是现有激光表面处理技术中最

早研究和应用最多的方法之一。近年来激光表面热处理技术不仅在研究和开发方面

得到迅速发展，而且在工业应用方面也取得了长足的进步，成为表面工程中的一个

十分活跃的新兴领域。虽然目前激光表面淬火技术的应用还不如传统热处理技术那

样广泛和成熟，但由于其具有的独特优越性，正日益受到人们的重视，已经在机械

制造、交通运输、石油、矿山、纺织、冶金、航空航天等许多领域得到良好的应用

1

和发展，特别是在汽车工业中，激光表面改性几乎可用于发动机中所有耐磨零件，

如轮轴、曲轴、缸套、缸体、活塞环、环槽、排气门和阀座等上的加工。

1.1激光表面淬火机理

激光的发光原理是光的受激辐射，使处在激发态的原子受到外来光的激励作用

而跃迁到低能级，同时发出一个与外来激励光子完全相同的光子，从而实现光的放

大。激光所激发的光具有同样的波长和相位并且按相同的方向传播，激光的四大特

征分别是高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。

激光束所表现出的优良特性，尤其是高亮度和高方向性受到材料工作者的重视，

这对于激光表面淬火具有决定性的意义。它可以将高度集中的能量，按所需的位置

和时间，以预定的量值，准确地投射到材料上，通过与材料的能量传递，使材料获

得很高的能量以改变其状态，从而实现材料加工的目的。

激光表面淬火是以高能密度的激光束作为热源的表面热处理。处理过程是将激

光束扫描于金属材料表面，其红外能量被金属表面吸收而迅速升温从而达到很高的

温度（即加热至金属的相变温度以上，且控制在熔点以下），使金属发生固态相变。

随着激光束离开金属表面的加热处，表面材料表面的热量依靠金属本身的热传导迅

速向内部传递而形成极大冷却速度，可以靠自激冷却使材料表面淬火，实现表面硬

化。

一般情况，表面淬火热处理时激光束的功率密度为10

4

~10

5

W/cm

2

，当激光束

作用于金属材料表面时，金属表面主要产生温升及相变而基本上没有出现局部熔化

的现象，激光束离开金属表面时局部冷却速度可达10

4

~10

6

℃/s。由于激光超快加

热条件下过热度大，造成相变驱动力很大，奥氏体形核数目剧增，奥氏体形核既可

发生在原晶界和亚晶界处，也可在相界面和其它晶体缺陷处发生，同时瞬间的奥氏

体化使起始晶粒来不及长大，而激光束就已移开，加之自激淬火处理的冷速极快，

在激冷到马氏体转变起始温度Ms后，固态相变必然获得细小的马氏体组织。

激光表面淬火快热快冷的过程也使金属中各元素的扩散均匀化来不及进行，使

淬火组织中碳及合金元素浓度的不均匀性增大，从而造成了两方面的结果：一方面

因为成分的不均匀性使得微观区域内马氏体形成温度有很大的差异，促进了细小马

氏体组织的形成；另一方面奥氏体中原靠近碳化物近的局部区域内碳元素的固溶度

增加，随着奥氏体向马氏体转变，得到高碳马氏体，而残余奥氏体也以碳及合金元

2