激光技术在表面处理中的十大应用

DT半导体材料 2022-09-15 21:28

构建AI未来，Arm计算平台无处不在 解密5G NR定位在分布式能源系统的同步控制应用

激光表面处理是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材料表面．借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺技术。它在改善材料表面的力学性能和物理性能，以及提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳性能方面大有裨益。近年来，激光清洗、激光淬火、激光合金化、激光冲击强化、激光退火等激光表面处理技术，以及激光熔覆、激光3D打印、激光电镀等激光增材制造技术迎来了广阔的应用前景。

01 激光清洗

激光清洗是目前快速发展的新型表面清洁技术，其采用高能脉冲激光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒或涂层瞬间蒸发或膨胀剥离，从而达到洁净化的工艺过程。激光清洗主要分为除锈、除油、除漆、除涂层等工艺；主要应用于金属类清洗，文物类清洗，建筑类清洗等。基于其功能全面、加工精准灵活、高效节能、绿色环保、对基材无损伤、智能、清洗质量好、安全、应用范围广等特点和优势，它在各个工业领域愈发受青睐。

与机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比，激光清洗具有明显的优点。

02 激光淬火

激光淬火采用高能量激光作为热源，使金属表面快热快冷，瞬间完成淬火过程，得到高硬度、超细的马氏体组织，提高金属表面的硬度和耐磨性，并且在表面形成压应力，提高抗疲劳能力。这项工艺的核心优势包括热影响区小、变形量小、自动化程度高、选区淬火柔性好、细化晶粒硬度高和智能环保。譬如激光光斑可调，能够对任意宽度的位置进行淬火；其次，激光头配合多轴机器人联动，可对复杂零件的指定区域进行淬火。又如，激光淬火极热速冷，淬火应力及变形小。激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。

当前，激光淬火已成功应用于汽车行业、模具行业、五金工具、机械行业中易损件的表面强化，尤其是在提高齿轮、轴面、导轨、钳口、模具等易损件的使用寿命方面，效果显着。激光淬火的特点如下：

1）激光淬火是快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，是一种无污染绿色环保热处理工艺，可以很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火；

2）由于激光加热速度快，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的模具变形很小；

3）由于激光束发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对模具表面进行精确的局部淬火；

4）激光表面淬火的硬化层深度一般为0.3～1.5mm。

03 激光退火

激光退火是指利用激光加热材料表面，将材料曝露于高温一段很长时间后，然后再慢慢冷却的热处理制程。该工艺主要目的是释放应力、增加材料延展性和韧性、产生特殊显微结构等。其特点是能够调整基体组织、降低硬度、细化晶粒和消除内应力。近年来，激光退火技术也成为半导体加工行业的一种新工艺，可大幅提高集成电路的集成度。

04 激光冲击强化

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它具有无热影响区、能量高效利用、超高应变率、可控性强以及强化效果显着等突出优点。同时，激光冲击强化具有更深的残余压应力、更好的微观组织和表面完整性、更好的热稳定性以及更长的寿命等特点。近年来该技术获得了迅速发展，在航空航天和国防军工等领域大有用武之地。另外，使用涂层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。

激光喷丸（LP），又称激光冲击强化（LSP），是一种应用于表面工程领域的工艺，即利用脉冲高功率激光束在材料中产生残余应力，以提升材料表面的耐损性（如耐磨性和抗疲劳性），或提高材料薄截面强度，以加强材料表面硬度。

与多数材料加工应用不同，LSP并非利用激光功率进行热处理以达到预期效果，而是利用光束冲击进行机械加工。高功率激光束用高功率短脉冲冲击目标工件表面。

光束冲击金属工件，立即将工件蒸发成薄层等离子体状态，并对工件施加冲击波压力。有时会在工件上附加薄层不透明覆面材料，用于代替金属蒸发。为了增压，利用其他透明覆面材料或惯性干扰层捕捉等离子体（通常为水）。

等离子体产生冲击波效应，在撞击点重塑工件表面微观结构，继而产生金属扩膨胀和压缩的连锁反应。该反应产生的深层压缩应力可延长部件寿命。

05 激光合金化

激光合金化是一种新型的表面改性技术，可针对航空材料不同的服役条件，利用高能密度激光束加热冷凝速率快等特点，在结构件表面制备非晶一纳米晶增强金属陶瓷复合涂层，达到航空材料表面改性的目的。激光熔覆技术相对激光合金化技术具有基材对熔池的稀释率小、热影响区小、工件受热形变小及激光熔覆处理后工件报废率小等特点。激光熔覆可显着改善材料的表面性能，可针对磨损失效材料进行修复，具有效率高、速度快、绿色环保无污染及处理后工件性能好等特点。

06 激光熔覆

激光熔覆技术也是代表表面工程发展方向和水平的表面改性新技术之一。激光熔覆技术因无污染且制备出的涂层与基材呈冶金结合等优点已成为当代钛合金表面改性的研究热点。采用激光熔覆陶瓷涂层或陶瓷颗粒增强复合材料涂层是提高钛合金表面附磨性的有效途径。根据实际工况要求选择合适的材料体系，采用激光熔覆技术可达最佳的工艺要求。激光熔覆技术可以修复各种失效零部件，如航空发动机叶片等。

激光表面合金化与激光表面熔覆不同之处在于，激光表面合金化是使添加的合金元素和基材表层在液态下充分混合而形成合金化层；而激光表面熔覆则是使预涂层全部熔化而基材表层微熔，从而使熔覆层与基材材料形成冶金结合而保持熔覆层的成分基本不变。激光合金化和激光熔覆技术主要用来提高钛合金的表面耐磨、耐蚀和抗级化等性能。

目前，激光熔覆技术已广泛应用于金属表面的修复改性，但传统激光熔覆虽然有柔性加工、异形修复、自定义增材等优势和特点，但工作效率偏低，对于部分生产领域中所要求的大规模快速生产加工需求，仍无法满足。为了满足大批量高速生产需求，提高熔覆工作效率，高速激光熔覆技术应运而生。

高速激光熔覆技术可实现致密无缺陷的熔覆层，熔覆层表面质量致密，与基材呈冶金结合，无开口性缺陷，表面光滑平整。不仅能够在回转体上进行加工，也能在平面和复杂曲面上进行加工。通过持续的技术优化，该技术可广泛应用于煤炭、冶金、海洋平台、造纸、民用家电、汽车、船舶、石油、航空航天行业，成为可替代传统电镀技术的一种绿色再制造工艺。

07 激光雕刻

激光雕刻加工是利用数控技术为基础，将高能量的激光束投射到材料表面，利用激光产生的热效应，在材料表面产生清晰图案的激光加工过程。加工材料在激光雕刻照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，能使激光雕刻实现加工目的。激光雕刻就是运用激光在物件上面刻写文字，这种技术刻出来的字无刻痕，物体表面光滑平整，字迹亦不会磨损。其特点和优势涵盖：安全可靠；精确细致、精度可达到0.02mm；节约环保、加工节省材料；高速快捷、可根据输出的图样高速雕刻；成本低廉、不受加工数量限制等。

08 激光3D打印

该工艺采用激光熔覆技术，使用激光照射喷嘴输送的粉末流，直接熔化单质或合金粉末，在激光束离开后，合金液体快速凝固，实现合金快速成型。目前，已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域获得广泛应用。

09 激光表面处理及再制造典型行业应用

当前，激光表面处理及增材制造技术、工艺和装备被广泛应用于冶金、矿山机械、模具、石油电力、五金工具、轨交、航空航天、机械等行业。

10 激光电镀技术的应用

激光电镀是新兴的高能束流电镀技术，它对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。目前，虽然激光电镀原理、激光消融、等离子激光沉积和激光喷射等方面还在研究之中，但其技术已在实用。当一种连续激光或脉冲激光照射在电镀池中的阴极表面时，不仅能大大提高金属的沉积速度，而且可用计算机控制激光束的运动轨迹而得到预期的复杂几何图形的无屏蔽镀层。

激光电镀应用于实际主要基于以下两种特征：

①在激光照射区域的速度比在本体的电镀速度高得多（约103倍）；

②激光的控制能力强，可使材料的必要部分析出所需的金属量。普通电镀发生在整个电极基体上，电镀速度慢，难以形成复杂和精细的图案。采用激光电镀可把激光束调节到微米大小，在微米尺寸上进行无屏蔽描图。对于电路设计、电路修复和在微电子连接器部件上的局部沉积，这类型的高速描图愈来愈有实际意义。

与普通电镀相比，其优点是：
（1）沉积速度快，如激光镀金可达1μm/s，激光镀铜可达10μm/s，激光喷射镀金可达12μm/s，激光喷射镀铜可达50μm/s；
（2）金属沉积仅发生在激光照射区域，无需采用屏蔽措施便可得到局部沉积镀层，从而简化了生产工艺；
（3）镀层结合力大大提高；
（4）容易实现自动控制；
（5）节约贵金属；
（6）节省设备投资和加工时间。

当一种连续激光或冲激光照射在电镀池中的阴极表面时，不仅能大大提高金属的沉积速且可用计算机控制激光束的运动轨迹而得到预期的复杂几何图形的无屏蔽镀层。目前的激光喷射强化电镀的新技术，将激光强化电镀技术与电镀液喷射结合起来，使激光与镀液同步射向阴极表面，其传质速度大大超过激光照射所引起的微观搅拌的传质速度，从而达到很高沉积速度。

11 未来发展与创新

展望未来，激光表面处理及增材制造设备发展方向可归纳为以下几点：

· 高效率——加工效率高，满足现代工业快速生产节奏；

· 高性能——设备功能多样化，性能稳定，适用不同工况；

· 高智能——智能化水平不断提升，人工干预少；

· 低成本——设备成本可控，耗材成本降低；

· 定制化——设备个性化定制，精准售后服务，

· 以及复合化——激光技术与传统加工技术相结合。

第六届国际碳材料大会暨产业展览会

极端制造与超精密加工论坛

金刚石前沿论坛

2022年11月16-18日 深圳国际会展中心（高交会宝安会场）

2022年11月16-18日，由DT新材料主办的第六届国际碳材料大会暨产业展览会将在深圳国际会展中心（高交会宝安会场）拉开帷幕。本届论坛设有内部研讨会、主题报告、特色展区，相关主题的论坛活动有极端制造与超精密加工论坛、金刚石前沿论坛、碳化硅论坛，围绕超精密加工技术与高端制品、高功率器件与碳基散热解决方案、半导体前沿应用等展开话题讨论，探索金刚石器件应用的无限可能！特邀河北工业大学吕志伟教授主持《激光遇上碳——金刚石与激光结合的应用探索》Workshop行业讨论活动，同时邀请中国科学院上海光学精密机械研究所杭寅研究员、广东工业大学王成勇教授、河北工业大学白振旭教授、吉林大学田振男副教授、元素六中国区技术负责人秦景霞，从激光微纳加工、飞秒激光直写、激光晶体、高功率激光器以及CVD金刚石在激光中的应用等多个角度分享报告！