激光起源于二十世紀(jì)初，美國(guó)著名物理學(xué)家愛(ài)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(guó)加利福尼亞州。從那時(shí)起，激光技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)在人類(lèi)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(cè)，激光精密測(cè)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(chē)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(wú)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(lái)，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(kāi)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(hù)所認(rèn)識(shí)，并將在未來(lái)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(guó)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(guò)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(guò)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(chēng)激光硬化硬化，是指表面硬化的過(guò)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(guò)具有高能量密度的激光束來(lái)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(kāi)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(lái)強(qiáng)化鑄鐵表面。后來(lái)，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(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已采用該技術(shù)作為汽車(chē)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(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的監(jiān)測(cè)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(shì)

在激光淬火過(guò)程中，激光的極高加熱和冷卻速率導(dǎo)致非常高程度的過(guò)熱和過(guò)冷，這導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)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?xún)?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(méi)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(shì)，使部件的使用壽命大大延長(zhǎng)，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(guò)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(guò)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。