激光起源于二十世紀(jì)初，美國著名物理學(xué)家愛因斯坦于1916年在論述普朗克的黑體輻射公式的推導(dǎo)中提出受激輻射概念，這個(gè)概念成為激光技術(shù)出現(xiàn)和發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。1960年5月，世界上第一顆紅寶石激光器出現(xiàn)在美國加利福尼亞州。從那時(shí)起，激光技術(shù)開始出現(xiàn)在人類社會(huì)，在許多方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。至此，激光也一躍成為二十世紀(jì)四大成就之一，與計(jì)算機(jī)、原子能和半導(dǎo)體齊名。
隨著激光理論和技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，激光耦合和雷達(dá)，激光檢測，激光精密測量等大量激光相關(guān)學(xué)科，加速了激光的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。激光技術(shù)已逐步從最初的實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)加工技術(shù)，包括激光焊接，激光鉆孔，激光打標(biāo)，激光切割，表面改性和微加工等。
如今，激光已成為加工領(lǐng)域最具潛力的高科技，其應(yīng)用已滲透到汽車生產(chǎn)和航空。在航空航天、醫(yī)療、微電子和許多其他領(lǐng)域，激光占據(jù)著無可比擬的地位。激光表面硬化是激光技術(shù)的重要分支。近年來，行業(yè)不僅加深了理論研究，加速了實(shí)際應(yīng)用，而且研究人員不斷開發(fā)基于激光硬化機(jī)理的新技術(shù)，使激光表面的硬化逐漸被工業(yè)生產(chǎn)用戶所認(rèn)識，并將在未來成為現(xiàn)實(shí)。
背景與原理
根據(jù)調(diào)查，由局部腐蝕和零件表面磨損引起的關(guān)鍵部件故障引起的設(shè)備故障損失，約占國民經(jīng)濟(jì)總值的3%-5%，損失巨大。因此，研究先進(jìn)的表面硬化技術(shù)以改善關(guān)鍵部件的表面特性是非常重要的。
激光硬化是先進(jìn)的表面處理技術(shù)。隨著理論研究的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步擴(kuò)大。激光硬化顯著的優(yōu)點(diǎn)和先進(jìn)的特性，使其逐漸在表面硬化領(lǐng)域占據(jù)重要地位。奧氏體可以通過加熱到臨界相變溫度而轉(zhuǎn)變成馬氏體，然后快速浸入水中冷卻。最后，實(shí)現(xiàn)了提高表面硬度和耐磨性的目標(biāo)。但通常情況是，硬化過程和設(shè)備難以協(xié)調(diào)。每個(gè)硬化部件都需要合適的電感器。很難為復(fù)雜的工件制造電感器，且難以進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。
激光表面硬化，又稱激光硬化硬化，是指表面硬化的過程，適用于鋼鐵和鑄鐵等材料。激光束具有非常高的能量密度，依靠表面快速加熱的激光硬化必須通過具有高能量密度的激光束來增強(qiáng)。被照射材料的表面溫度上升到高于相變點(diǎn)的溫度范圍，但是以非常高的速率低于熔點(diǎn)，使得材料經(jīng)歷固相轉(zhuǎn)變。當(dāng)光束由于基質(zhì)的低溫而離開工件表面的掃描部分時(shí)，由于導(dǎo)熱性，表面可以快速冷卻，這提供了自冷卻效果并隨后產(chǎn)生高效的表面層。
技術(shù)應(yīng)用
20世紀(jì)70年代，世界上首次出現(xiàn)了關(guān)于激光硬化的研究，它是激光硬化技術(shù)非常重要的組成部分之一。當(dāng)時(shí)，行業(yè)主要研究的是利用激光硬化來強(qiáng)化鑄鐵表面。后來，激光硬化所研究的材料還包括碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、高速鋼和耐熱鋼，并取得了一些研究成果。
激光硬化在冶金、交通、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，國外一些發(fā)達(dá)國家已采用該技術(shù)作為汽車工業(yè)和其他行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的保證。機(jī)床導(dǎo)軌是指用于支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件沿著一定軌跡運(yùn)動(dòng)的零件，由于這項(xiàng)零件一旦損壞難以維修，因此目前運(yùn)用激光淬火技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床導(dǎo)軌的研究較多，從工業(yè)的角度上，對機(jī)床導(dǎo)軌的監(jiān)測與修復(fù)能大大節(jié)省損耗成本，提高工業(yè)品的良品率。
技術(shù)優(yōu)勢
在激光淬火過程中，激光的極高加熱和冷卻速率導(dǎo)致非常高程度的過熱和過冷，這導(dǎo)致晶粒生長太晚而不能產(chǎn)生精細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)。淬火后得到的馬氏體通常是馬氏體和針狀馬氏體的混合組織，含有一定量的殘余奧氏體，結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)密度高，提供了良好的增強(qiáng)效果。
在上述因素的作用下，激光硬化層不僅具有高硬度，強(qiáng)度和耐磨性，而且具有良好的延展性和韌性。此外，激光淬火的可控性優(yōu)于傳統(tǒng)的表面淬火。它不僅可以控制層的淬火深度，還可以控制淬火區(qū)的位置、形狀和尺寸。
它可以在沒有特殊感應(yīng)加熱裝置的情況下裝訂復(fù)雜零件和局部零件，使激光硬化成為傳統(tǒng)。該方法難以應(yīng)用，具有明顯的優(yōu)勢，使部件的使用壽命大大延長，甚至是翻倍，該技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效果。
技術(shù)前沿與展望
目前激光淬火技術(shù)的前沿主要是在數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的結(jié)合研究。通過建立激光淬火技術(shù)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，有助于運(yùn)用激光淬火技術(shù)全面自動(dòng)化生產(chǎn)。如運(yùn)用數(shù)值模擬建立模型，通過激光淬火設(shè)備生產(chǎn)新材料，制造出新合金，可以應(yīng)用在航天環(huán)境，超高溫環(huán)境和化學(xué)腐蝕性環(huán)境條件下的機(jī)械零件上，這是激光淬火技術(shù)的前沿。
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