快速凝固技术一般指以大于105 K/s~106 K/s 的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，下面是我为大家精心推荐的快速凝固技术论文，希望能够对您有所帮助。
浅析金属材料快速凝固激光加工成形
【摘要】快速凝固加工技术能使微晶、非晶、准晶等非平衡新型结构及 其它 功能材料快速凝固。该技术不仅能提高传统金属的材料性能，还能挖掘现存材料的性能加以利用，并且研究其他高性能材料。如今，快速凝固非平衡材料的理论研究及其技术都已经成为了材料科学与凝聚态物理的重点研究领域之一。实现金属材料快速凝固的基本 方法 就是激光表面快速凝固，这也是在实现凝固冷却方法中速度最快的一种方法。
【关键词】金属材料;快速凝固;激光;
利用激光熔化金属材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且还能带有组织特征。例如枝晶及组织细化、低偏析或无偏析、准晶、溶质元素高度过饱和固溶等，并且还能获得具有物理性能、化学性能或力学性能的表面材料。此外，在利用激光将材料表面快速熔化的过程中，向熔池内添加合金元素，还能获得许多零件基材，并且这些零件基材的成分、组织及性能都完全不同，是特种表面冶金涂层材料，具有细小、均匀等特点。
快速凝固激光加工的过程十分迅速、灵活，且易于自动化、热影响区小，因此利用该技术将金属材料表面改性的应用基础与研究都得到了迅速发展。并且，以快速凝固理论作为研究基础，在其发展之上演变而来的激光表面合化金技术与激光表面工程技术也成为了现代表面工程的新技术之一，这两种技术都能将特征先进涂层材料与优质零件进行设计合成。近年来，随着快速原型制造技术的发展，快速凝固激光材料的加工基本原理不断发展，两者相结合之后使高性能金属零件激光添加技术也得到迅速发展。高性能金属零件激光添加技术成为了激光技术、材料学科、材料加工工程等学科的重点研究对象。该技术是将材料设计、材料合成与近净形复杂金属零件快速成形相结合的制造技术，具有先进性、知识化、数字化等特点。
一、将钛合金快速凝固的激光熔覆技术
在金属材料中，钛合金的优点十分多，例如密度低、耐蚀性高、生物相容性好、比强度高等，而航天、航空、兵器、船舶等领域又十分需要这种材料，因此钛合金得到了广泛应用。但是钛合金也有一些缺点，如耐磨性低、易粘着、摩擦系数高、高温高速摩擦易燃等。但是同时，钛合金在这些领域大多是作为摩擦磨损运动副零部件，不能让其自身的缺点影响到应用效果。而想要使钛合金的耐磨性增高、阻燃性增高、摩擦系数降低，达到完美摩擦磨损运动副零部件的效果，就必须采用先进的表面工程技术改变钛合金表面缺点。最经济灵活的方式是将钛合金零件基材与牢固的冶金结合，形成具有高温耐磨、耐腐蚀、阻燃性强的特殊材料。
利用激光表面所含的合金化与激光熔覆技术结合耐磨材料表面改性层，可以将钛合金的耐磨性能大幅提高。此外，将快速凝固激光表面合金化技术与激光熔覆技术相结合，利用难熔金属化合物能增强钛合金表面的高温耐磨涂层，并且达到快速凝固效果。此种方法还可以应用于TC4、BT9、TA15等钛合金采研制出 、 、 等高硬度且十分耐磨的金属间化合物耐磨涂层新材料。在上述的涂层组织中，都是金属间化合物，它们的硬度较高，并且温度与硬度关系反常，有金属键与共价键共存现象。经过研究，发现这些金属间化合物在室温条件或高温条件下，摩擦系数、磨料磨损率、滑动磨损率及微动磨损率都非常低，并且其耐磨性还能继续提高，甚至达到钛合金基材的100至700倍，而其摩擦系数可降低整整一半。这些研究为作为摩擦副机械零部件的钛合金应用提供了新的方法。
二、金属材料快速凝固激光制备特种涂层新材料
一般而言，高温运动副零部件应用环境都是十分恶劣的，大多应用于航空及航天发动机、石油采集设备、电力工程等方面，因此对这些高温运动副零部件组成材料的性能要求极高，不仅需要强大的耐高温性能、耐腐蚀性能、抗氧化性能、低摩擦系数，还需要较强的生物相容性。而这样的多功能材料新涂层需要非常优质的涂层制备技术。因此，近年来许多研究人员将涂层制备技术和快速凝固激光熔覆技术相结合，研究出具有强大功能的涂层新材料，不仅这些新材料的各种性能都大大提高，同时也进一步发展了凝固激光熔覆涂层制备技术。
在航空装置、航天装置、石油采集设备等先进技术装备的发动机中都需要用到许多高温高速副零部件，而具有多功能的涂层新材料都具有耐高温、耐磨损、抗氧化、低摩擦、摩擦相容等特点，因此十分适合航空发动机等先进装置的条件。此外，将快速凝固激光熔覆涂层制备技术与耐磨材料的设计原理相结合，还可以得到性能更加优异的激光熔覆涂层新材料，例如超高碳 。其工艺性能良好、碳含量在9%-12%之间，并且内部显微组织呈孤立分布的状态。此种激光熔覆涂层新材料已经应用到我国的先进航空发动机中，作为关键高温高速滑动摩擦副部件使用。
随着高温耐磨运动副零部件的应用环境越来越恶劣，对其性能要求也越来越高。此时对于过渡金属硅化物的化学性质也提出了更高要求，因为难熔金属硅化物在摩擦学、耐磨材料、表面工程等领域都能表现出其众多的优点，所以难熔金属硅化物成为了多功能涂层新材料的又一研究领域。经过研究人员坚持不懈的探索，终于成功研究出 、 、 、 等多功能涂层新材料，这些金属硅化物的高温耐磨性优异、抗热性能和抗腐蚀性能极高、低摩擦系数及其摩擦相容性更是符合标准，并且各性能之间还能相互配合，优化其涂层激光熔覆制备技术。在常温金属及高温金属干滑动试验中， 、 等金属硅化物涂层具有反常载荷、反常温度、与金属摩擦完全不粘着等特性。
三、金属材料小平 面相 液-固界面结构及其生长机制
在凝固理论研究中，小平面相的液-固界面结构、生长形态、生长规律及生长机制一直都是重点研究课题。笔者在研究增强金属及金属间化合物的复合涂层材料时，以 作为研究对象，研究在不同的凝固冷却速度下，它的小平面相的液-固界面结构、生长形态、生长规律及生长机制有何不同。
结果表明，在冷却速度为 发非平衡凝固条件下，小平面相 的生长形态十分分度，在没有达到最快速凝固条件时， 小平面相液-固界面结构为三维网络树枝状;而在达到最快速凝固条件时， 小平面相液-固界面结构为小平面花瓣状分枝团族树枝晶状。可是，不论凝固冷却速度条件是否达到标准，即使其凝固形态不同，但其生长界面始终具有小平面特征，说明类似 晶体的高因子小面晶体在较宽的凝固冷却速度范围以内，其小平面相液-固界面结构及其生长机制的基本特征都不会随着凝固冷却速度的变化而产生变化。
四、高性能金属材料激光快速成形
高性能金属材料激光快速成形技术是近年来随着材料科学不断发展形成的新技术，也属于快速凝固技术的一种，由新材料制备技术结合先进制造技术研发而来。该技术的核心是快速凝固激光材料制备加工技术，利用快速原型制造技术在没有任何模具与工装条件下即可快速成形任意形状的零件。高性能金属零件激光快速成形技术具有高度的柔性、适应性及快速响应性，应用面十分宽广。
结束语
随着高温耐磨运动副零部件的应用环境越来越恶劣，对其性能要求也越来越高。利用激光熔化金属材料表面，可以得到快速凝固后的表面材料，并且还能带有组织特征。快速凝固激光加工成形技术是利用金属快速凝固效应进行新材料制备的新型技术，也可以进行高性能金属材料的直接成形。该技术在许多先进航空材料的表面改性、发动机涂层新材料合成、优质涂层制备等方面都具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]樊熊.金属材料加工工艺中激光技术应用分析[J].企业技术开发，2013，15：23-24.
[2]田延龙.激光技术在金属材料加工工艺中的应用探析[J].科技创新与应用，2013，(10).
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目 录
一、激光加工的起源和原理-------------------------------------------------------5
二、激光加工的特点---------------------------------------------------------------5
三、激光加工的应用---------------------------------------------------------------6
四、激光的发展趋势---------------------------------------------------------------7
五、结论-----------------------------------------------------------------------------8
六、致谢-----------------------------------------------------------------------------9
现代制造技术特种加工
---激光加工
1、激光加工的起源和原理
随着科学技术的发展和社会需求的多样化，产品的竞争越来越激烈，更新换代的周期也越来越短。为此，要求不但能根据市场的要求尽快设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出原型，从而进行性能测试和修改，最终形成定型产品。而在传统制造系统中，需要大量的模具设计、制造和调试等工作，成本高，周期长，已不能适应日新月异的市场变化。为了提高研发和生产速度，快速而精确地制作出高质量、低成本的模具和产品，能对市场变化做出敏捷响应，人们作了大量的研究和探索工作。随着工业激光器价格的不断下降和工业激光加工技术的日益成熟，给模具制造和产品生产工艺带来了重大变革
激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
2、激光加工的特点
激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势：
2.1由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。
2.2它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。
2.3激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。
2.4激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。
2.5它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。
2.6由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。
2.7使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。
3、激光加工的应用
激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、焊接、热处理等。 某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能。激光加工的应用主要有以下几个方面：
3.1、激光打孔
采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.1～1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005～1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。
3.2、激光切割、划片与刻字
在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持（图1）。
图1激光刻字
3.3、激光微调
采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数（如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。激光微调精度高、速度快，适于大规模生产。利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节。
3.4、激光热处理
用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。
激光加工的应用范围还在不断扩大，如用激光制造大规模集成电路，不用抗蚀剂，工序简单,并能进行0.5微米以下图案的高精度蚀刻加工，从而大大增加集成度。此外，激光蒸发、激光区域熔化和激光沉积等新工艺也在发展中。
3.5、激光焊接
激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及熔点很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿命长，而且体积小。
4、激光的发展趋势
激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后2-3年内，我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到70亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。
5结论
本文对激光加工的原理、起源、应用、发展趋势等做了详细的介绍，并结合激光加工等常见的问题作出分析，对激光加工工艺的理解有一定的帮助。
参考文献
[1]刘晋春、赵家齐、赵万生.特种加工（第4版）[M].机械工业出版社，2007.
[2]宋威廉，激光加工技术的发展[M].北京：机械工业出版社，2008.
[3]赵万生.特种加工技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
[4]张辽远.现代加工技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[5]刘振辉，杨嘉楷.特种加工[M].重庆：重庆大学出版社，1991.
1.激光熔覆技术应用
（1）激光熔覆技术20世纪70代随着功率激光器发展兴起种新表面改性技术指激光表面熔敷技术激光束作用合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化光束移自激冷却形稀释率极低与基体材料呈冶金结合表面涂层显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等种表面强化
（2）60#钢进行碳钨激光熔覆硬度高达2200HV耐磨损性能基体60#钢20倍左右Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金其耐磨性与火焰喷涂耐蚀性进行比发现前者耐蚀性明显高于者
（3）激光熔覆技术种经济效益高新技术廉价金属基材制备高性能合金表面影响基体性质降低本节约贵重稀金属材料世界各工业先进家激光熔覆技术研究及应用都非重视.
2.激光熔覆设备
（1）应用于激光熔覆激光器主要CO2激光器固体激光器（主要包括碟片激光器光纤激光器二极管激光器式灯泵浦激光器由于光电转化效率低维护繁琐等问题已逐渐淡市场）
（2）于连续CO2激光熔覆内外者已做量研究.高功率固体激光器研制发展迅速主要用于色合金表面改性
（3）据文献报道采用CO2激光进行铝合金激光熔覆铝合金基体CO2激光辐照条件容易变形甚至塌陷固体激光器特别碟片激光器输波1.06μm较CO2激光波1数量级更适合类金属激光熔覆
3.激光熔覆工艺特点
激光熔覆按送粉工艺同两类：粉末预置同步送粉两种效相似同步送粉具易实现自化控制激光能量吸收率高内部气孔尤其熔覆金属陶瓷显著提高熔覆层抗裂性能使硬质陶瓷相熔覆层内均匀布等优点
4.激光熔覆具优点
（1）冷却速度快（高达106K/s）属于快速凝固程容易细晶组织或产平衡态所新相非稳相、非晶态等
（2）涂层稀释率低（般于5%）与基体呈牢固冶金结合或界面扩散结合通激光工艺参数调整获低稀释率良涂层并且涂层稀释度控；
（3）热输入畸变较尤其采用高功率密度快速熔覆变形降低零件装配公差内
（4）粉末选择几乎没任何限制特别低熔点金属表面熔敷高熔点合金；
（5）熔覆层厚度范围单道送粉涂覆厚度0.2~2.0mm
（6）能进行选区熔敷材料消耗少具卓越性能价格比；
（7）光束瞄准使难接近区域熔敷；
（8）工艺程易于实现自化
5.激光熔覆与激光合金化异同
激光熔覆与激光合金化都利用高能密度激光束所产快读熔凝程基材表面形于基体相互融合、具完全同与性能合金覆层两者工艺程相似却本质区别主要区别：
（1）激光熔覆程覆层材料完全融化基体熔化层极薄熔覆层影响极激光合金化则基材表面熔融复层内加入合金元素目形基材基新合金层
（2）激光熔覆实质基体表面层熔融金属作溶剂另行配置合金粉末融化使其熔覆层主题合金同基体合金薄层融化与形冶金结合激光熔覆技术制备新材料极端条件失效零部件修复与再制造、金属零部件直接制造重要基础收世界各科界企业高度重视
更详细信息请参见百度百科、百度文库相关文献
