材料的激光表面改性技術及應用（簡體書）

《材料的激光表面改性技術及應用》在對激光技術的相關理論和激光表面改性技術進行綜述的基礎上，主要對矽和鐵表面的激光氣體氮化技術、激光氮化改善取向矽鋼磁疇分佈及降低鐵損、矽鋼表面激光輔助滲矽技術、工業鈦合金及醫用鈦合金表面的激光熔覆技術等進行了闡述。
《材料的激光表面改性技術及應用》內容豐富，素材新穎，層次分明。可作為從事激光技術、材料表面改性和激光加工等相關領域的工程技術人員、研究人員及高等院校相關專業的本科生和研究生的參考書。

《材料的激光表面改性技術及應用》內容豐富，素材新穎，層次分明。可作為從事激光技術、材料表面改性和激光加工等相關領域的工程技術人員、研究人員及高等院校相關專業的本科生和研究生的參考書。

激光表面改性技術的研究始于20世紀60年代，隨著第一臺紅寶石激光器的誕生及大功率激光器的成功研制，又由于激光在材料加工中具有能量傳遞方便、集中，加工時間短、速度快、無污染、操作簡單等，激光技術的應用日趨廣泛。激光表面改性技術是采用大功率密度的激光束以非接觸性的方式加熱材料表面，借助于材料表面本身傳導冷卻，使金屬材料表面在瞬間被加熱或熔化后高速冷卻，來實現其表面改性的工藝方法。激光表面改性是局部改性處理的新方法，是未來工業應用潛力最大的表面改性技術之一，具有很大的經濟效益，廣泛應用于機械、電器、航空、兵器、汽車等制造行業。利用激光處理技術在一些表面性能差和價格便宜的基體金屬表面上能制出耐磨、耐蝕和耐高溫的表面合金層，用以取代昂貴的整體合金，節約貴重金屬和戰略材料，使廉價的材料獲得應用，從而大幅度降低成本。另外，還可以用來研制新材料和代用材料，制造出在性能上與傳統冶金方法根本不同的表面合金，應用在太空、高溫和化學腐蝕環境條件下工作的機械零件上。
為適應當前激光表面改性技術的發展，作者根據近年來對材料激光表面改性技術的研究和探索來編寫此書，希望為推動我國激光改性技術在材料方面的應用作出貢獻。
全書共分7章，既有必要的理論基礎，又有科研實踐。前兩章為基礎知識，主要對激光技術的相關理論基礎及激光表面改性技術發展過程進行了簡介；第3～7章主要是對相關科研成果和學術成果的歸納和總結。如對硅和鐵表面的激光氣體氮化技術進行了介紹，在此基礎上，將激光氣體氮化技術應用到改善取向硅鋼磁疇分布、降低其鐵損的研究方面，利用激光輔助滲硅技術對硅鋼表面進行了處理并介紹了相關性能，最后，介紹了對工業鈦合金和醫用鈦合金表面進行的一系列激光熔覆實驗，以改善其表面的耐磨蝕性及生物性能等。
本書的部分研究內容獲得了國家自然科學基金青年基金項目（50801012，50474084，51101029）和教育部中央高校基本科研業務費項目（N100405001）的資助，在此，作者對國家自然科學基金委、教育部及東北大學給予的資助表示誠摯的感謝。
本書由東北大學楊玉玲和董丹陽共同撰寫，第1章、第2章部分內容、第3章、第4章、第6章和第7章由楊玉玲執筆，第2章部分內容和第5章由董丹陽執筆。由于編者學識水平有限，書中難免存在不足之處，敬請廣大讀者批評指正。
楊玉玲
2012年10月

第1章激光加工概述
1.1激光產生的物理基礎
1.1.1激光的發展簡史
1.1.2產生激光的典型能級結構
1.1.3原子能級及粒子數分佈
1.1.4原子能級躍遷
1.1.5激光產生機理
1.1.6激光器基本結構
1.2激光的特性
1.2.1單色性好
1.2.2高方向性
1.2.3高相干性
1.2.4高亮度
1.3激光與材料的相互作用
1.3.1簡介
1.3.2激光的吸收過程
1.3.3激光的熱效應
1.3.4等離子體產生過程
1.3.5激光燒蝕過程

第2章激光表面改性技術簡介
2.1概述
2.2激光表面處理技術分類及特點
2.2.1激光相變硬化
2.2.2激光衝擊硬化
2.2.3激光熔覆
2.2.4激光表面合金化
2.2.5其他激光表面改性技術簡介
2.3激光表面改性設備
2.3.1激光器系統
2.3.2光路及導光系統
2.3.3激光加工數控系統
2.4激光表面改性存在的問題及展望

第3章激光氣體氮化（LGN）技術與應用
3.1矽表面激光氣體氮化工藝及特性
3.1.1實驗材料及設備
3.1.2激光工藝參數的確定及工藝
3.1.3激光氮化處理後樣品的表面物相組成
3.1.4激光與半導體材料相互作用與氮化成膜機理
3.2鐵表面激光氣體氮化
3.2.1激光氣體氮化工藝參數的確定
3.2.2激光氮化樣品表面物相分析
3.2.3鐵氮化合物熱穩定性及相結構轉變

第4章高磁感取向矽鋼微區激光氣體氮化
4.1取向矽鋼簡介
4.1.1高磁感取向矽鋼的發展趨勢
4.1.2改善磁疇分佈及提高取向矽鋼鐵損方法簡介
4.2改進型Fe304磁流體的研製
4.2.1Fe304磁流體的配置
4.2.2Fe304磁流體性能影響因素
4.3取向矽鋼片激光掃描間距的理論計算.
4.3.1實驗材料及計算方法
4.3.2平均晶粒尺度的計算
4.4最佳晶粒尺度、氮化掃描間距及特性曲線的確立
4.4.1計算原理及方法簡介
4.4.2最佳晶粒尺度計算
4.4.3激光氣體氮化掃描間距的確立
4.4.4取向矽鋼特性曲線的確立
4.5激光氣體氮化對取向矽鋼性能的影響
4.5.1激光氮化機制及工藝確定
4.5.2微區激光氣體氮化成分標定
4.5.3微區激光氣體氮化對取向矽鋼磁疇結構分佈的影響
4.5.4微區激光氣體氮化對取向矽鋼時效性能的改善.
4.5.5激光刻痕和激光氣體氮化對降低矽鋼片鐵損的影響-

第5章矽鋼激光輔助滲矽技術
5.1矽鋼及高矽鋼製備工藝簡介
5.1.1矽鋼的分類和發展
5.1.2鐵矽合金特性
5.1.3高矽鋼特性
5.1.4高矽鋼製備工藝
5.1.5激光熔覆工藝
5.2單道激光熔覆塗層的製備技術
5.2.1單道激光熔覆塗層製備
5.2.2單道激光熔覆工藝探索與優化
5.2.3影響激光熔覆塗層質量的因素
5.2.4熔覆塗層組織與凝固行為分析
5.2.5熔覆塗層矽含量測定及硬度分佈
5.3多道搭接激光熔覆塗層的製備技術
5.3.1多道搭接激光熔覆塗層製備
5.3.2影響激光熔覆塗層質量的因素
5.3.3激光熔覆塗層中存在的缺陷
5.3.4熔覆塗層顯微組織分析
5.3.5熔覆塗層凝固行為分析
5.3.6熔覆塗層微結構分析
5.3.7熔覆塗層矽含量測定及硬度分佈
5.4退火處理激光熔覆高矽塗層磁性能研究
5.4.1鐵磁性物質磁飽和及磁滯現象
5.4.2熔覆樣品擴散退火與表面相組成
5.4.3熔覆退火樣品硬度與矽含量分佈
5.4.4熔覆退火樣品的室溫磁性能

第6章工業鈦合金激光表面改性技術
6.1工業鈦合金簡介
6.2激光氮化改性技術研究
6.2.1簡介
6.2.2實驗材料及設備
6.2.3激光氮化工藝確定
6.2.4氮化處理後表面物相及顯微硬度分佈
6.2.5激光氮化樣品顯微硬度分佈
6.2.6氮化機制及合金成分對氮化影響
6.3激光熔覆製備耐磨塗層技術
6.3.1激光熔覆技術簡介
6.3.2鈦合金表面激光熔覆技術研究進展
6.3.3激光熔覆TiCN／Ti陶瓷塗層工藝
6.3.4激光熔覆參數確定及熔覆層物相、組織結構
6.3.5熔覆層力學性能
6.4激光誘導原位自生耐磨塗層技術
6.4.1實驗材料及設備方法
6.4.2原位自生熱力學判據及工藝確定：
6.4.3原位自生塗層的物相標定、顯微結構及力學性能

第7章醫用鈦合金表面激光熔覆改性
7.1醫用鈦合金表面改性簡介
7.2激光熔覆HA／Si（）2生物塗層
7.2.1Si-HA塗層簡介
7.2.2實驗材料及熔覆工藝確定
7.2.3熔覆層表面形貌及物相標定
7.2.4HA／Si（）2生物塗層的潤濕性
7.2.5HA／Si（）2生物塗層的體外活性
7.3激光熔覆合成’FiCN／Ti3Si（：2複合生物塗層技術
7.3.1原理及方法簡介
7.3.2實驗過程及方法
7.3.3掃描速度對熔覆層物相、組織結構及硬度影響
7.3.4離焦量對熔覆層物相、顯微結構及硬度影響
7.3.5熔覆層顯微結構及微區成分分析
7.4TICNN／SiO2生物塗層潤濕性及體外活性
7.4.1引言
7.4.2實驗設備
7.4.3實驗過程及方法
7.4.4潤濕性結果
7.4.5SBF溶液浸泡後表面物相分析
7.4.6SBF浸泡中離子沉積速率
7.4.7SBF浸泡後沉積層表面形貌及微區成分分析
參考文獻

2.2激光表面處理技術分類及特點
2.2.1激光相變硬化
激光相變硬化（laser transformation hardening，LTH）是20世紀70年代初期發展起來的一種激光表面處理技術。激光相變硬化，又稱為激光淬火。激光相變硬化熱處理是將規律的強激光束照射到材料表面，迅速將材料表面溫度提高到奧氏體轉變溫度以上、熔點以下的范圍之內，通過激光束的快速移動，被加熱的部位與材料內部進行快速的熱交換，使材料表面以極快的速度冷卻，以實現馬氏體的轉化，得到極細的馬氏體結構組織。激光相變硬化所需的激光功率密度需達到104～105W／cm2，加熱速度可達到104～106℃／s，冷卻速度高達104～108℃／s。由于激光相變硬化是采用急冷急熱的工作方式，它在材料表面上產生的壓應力可以達到750MPa以上，從而增強了材料的疲勞強度。相變硬化層的厚度取決于被加熱材料的散熱系數、熱導率、激光束的移動速度和功率密度的大小等。在嚴格控制激光功率密度和移動速度的條件下，其被加工樣品的總體熱量足夠大時，加工后的樣品基本不變形，處理后工件表面無需進行機械加工。激光相變硬化熱處理無化學污染，不需要冷卻介質，易于實現傳輸和自動化控制，以實現對工件硬化層的高技術要求。激光相變硬化有以下優點。
（1）極快的加熱和冷卻速度。如上所述，激光相變硬化的加熱速度可達到104～106℃／s，冷卻速度高達104～108℃／s。
（2）效率高。比感應加熱的工藝周期短，通常只需要0.1s即可完成淬火過程，生產效率高。
（3）淬火變形小，熱應力小。由于激光加熱速度快，相變過程輸入的熱量少，熱影響區小，激光淬火后工件變形小，幾乎無氧化脫碳現象，表面光潔度高，相變硬化處理后的樣品表面無需進行機械加工。
（4）激光相變硬化處理可獲得高硬度和良好耐磨性表面。激光相變硬化處理后，可獲得細小的馬氏體和碳化物組織，其硬度比常規淬火處理硬度高15％～30％。同時，激光淬火過程中產生很高的殘余壓應力，可大幅提高材料的疲勞強度。
（5）易實現局部及特殊部位、特殊樣品的淬火處理。由于激光淬火只發生在激光照射部位，因此，對于小件的局部或者特殊部位，例如槽壁、深孔、腔體內壁等，適合于用激光淬火進行處理。另外，一些用傳統熱處理方法不易處理或效果不佳的材料，如鑄鐵低碳鋼等均可采用激光相變硬化的方式進行熱處理，并且效果良好，擴展了此類材料的應用范圍。