鐳射對金屬材料表面的處理，方法多種多樣，得到的效果也不一樣，但其在很多方面可以滿足人們對材料的一些特殊要求。如相對硬化技術可以讓材料的硬度和耐磨性得到很大的提高，並且不會改變材料原有的形狀;玻璃化技術可以讓金屬表面玻璃化;均勻化技術可以提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蝕性，但是表面會有一定熔化，所以形狀會發生一些變化;表面合金化技術會讓材料表面有一層新合金;鐳射噴漆技術表面會有一層新材料。但是由於技術發展歷史比較短，所以對其理論和實踐都還需進一步地探討，就這個問題，文章展開分析。
1、鐳射對材料表面處理的原理
鐳射具有高能量密度的特性，而這也就是鐳射對材料表面處理的原理。在材料表面作用鐳射光束，當金屬裡的自由電子和鐳射光子互相碰闖時，會提高金屬帶電子的能量。能量會進一步轉換為晶格振動能，體現出熱量的形式。要穿透金屬光子的能量還達不到上限，金屬表面就會集中許多能量，溫度會迅速升高至熔點和相變點溫度，再加上金屬導熱效能好的原理，基體會迅速接收到散發的熱量，形成了很高的冷卻效果，這樣材料表面結構就會出現結晶，並均勻分佈合金元素，從而提高了硬度、耐磨性和抗腐蝕性。
鐳射對材料表面處理效果的三要素，也是三個重要的引數，分別是鐳射功率、光束尺寸和掃描速率。由於這三個要素直接決定了熔化寬頻和熔化深度，而熔化寬度和熔化深度又直接影響材料表面的結構、應力和成分等等。鐳射功率增加熔化深度也會隨著線性增加，熔化寬度直接由光束尺寸所決定，熔化深度和熔化寬度會隨著掃描速率提升而下降。而在一定功率下，功率密度和光束的面積成反比，合理的選擇三個要素對材料處理的工藝效果會不同。
2、鐳射對材料表面處理種類
2.1 鐳射對材料表面的掃描技術
把材料的表面用能量很高的鐳射束掃描過後，材料表面區域性會先熔化，而這就會加快材料的熔化速度。按溫度在材料表面的高低，可以分為兩種鐳射掃描技術，鐳射熔凝技術和鐳射相變技術。其利用的是材料晶體在不同溫度下會有不同的原理，然後迅速冷卻高溫，會形成介穩的結構。在材料表面用合適的鐳射束照射，讓照射區的溫度最快提升到一定溫度，並使淬火的溫度小於一定溫度小於熔化溫度，保持一定的時間，然後迅速冷卻，原子就沒有時間恢復到低溫時的穩定結構，從而形成介穩結構。在這一過程中還注意冷卻時候一定要迅速，硬化深度誤差一定要小，溫度保持時間一定要確定在最小保留時間。
2.2 激光表面合金化
把少量合金元素塗抹在材料表面，然後在表面用鐳射加熱進行熔化，溫度達到合金元素與材料的熔化溫度，使兩者在材料表面充分地混合，冷卻後表面形成合金。
2.3 激光表面均勻化
把材料表熔化，把材料表面的所有晶體都溶解開來，同時迅速淬火，達到各個晶體相互混淆不能被明顯區分。由於材料表面的張力作用，所以對過程進行的控制，可以有效地減少張力作用。粗顆粒的材料進行這樣處理後晶粒的抗腐蝕性會得到提高。相對於含有碳化物的工具，通過這樣的處理過後，表面的硬度會大大提高。
2.4 激光表面玻璃化
把材料表面以20——100 釐米每秒的鐳射束熔化表面後獲得10度每秒的淬火速度，這樣足以熔化液體超冷卻到玻璃狀態的溫度，接著材料表面會呈現出玻璃狀結構。
2.5 鐳射噴鍍
將一種噴鍍粉末吹入有鐳射熔化材料的表層中，由此生成新表面材料的過程，就是“鐳射噴鍍”。這樣可以清除表面的砂眼並且提高噴鍍材料粉末在表面的粘附力度，所以經過鐳射噴鍍形成的材質表層比一般的牢固，不僅成為了獨立的工藝，還方便對氣體噴鍍的善後處理。 在此工藝過程中，需要小心控制噴鍍粉末的流速。若流速過大，會降低粉末在材料表面的沉澱速率;若流速過小，則會造成鍍層過於稀薄。
2.6 激光表面合金化的抗腐蝕性
激光表面合金化是利用鐳射熔化與表面塗覆的合金而發生合金化反應形成合金的方法。依靠新增的抗腐蝕性合金元素與表面晶粒細小化來提高材料的抗腐蝕效能。 在處理工藝上，一般採用的是雙束工藝，通俗的做法就是先用一束鐳射進行合金化處理，然後再用第二束鐳射進行均勻化處理，讓合金化過程中尚未熔化的合金成分充分地融入其中。此工藝經過驗證，也確實證明了雙束工藝擁有均勻化的作用。
3、結束語
隨著現代生活的高速發展，越來越多的鐳射處理材料出現在人們的生活中，這證明鐳射處理材料對於人類社會的發展非常重要。相對未經過鐳射處理的材料來說，鐳射處理材料無化學汙染，表面硬化可以被精確控制，抗腐蝕性也比未經過鐳射處理的材料更加強大，多樣化的鐳射處理方式增加了工藝多樣化。可見鐳射對於材料表面處理的作用對人們來說是必不可少的，由於這類工藝出現的時間較短，所以有的地方也有待加強。總之，通過不地的改良和改善，不斷創新新的工藝，會讓鐳射對材料表面的處理技藝對人類的影響越來越大，同時也會使材料處理方式的技藝更加完美。
【拓展內容】
關於金屬材料表面的鐳射拋光研究進展的論文
[摘要]金屬材料表面的鐳射拋光，作為一種新型的鐳射加工工藝，具有拋光效率高、材料去除效果好、材料利用率高等優點。在介紹了鐳射拋光材料型別的基礎上，對比分析了金屬材料拋光過程中所使用鐳射器的型別，論述了鐳射拋光金屬材料表面過程中的理論模型方法，詳細總結了鐳射拋光金屬表面的工藝引數和拋光效果，並對鐳射拋光金屬材料的現狀和發展方向進行了評價和展望。
[關鍵詞]材料 金屬材料 鐳射加工 拋光 理論模型 工藝引數
1、鐳射拋光金屬材料型別
1.1模具鋼、工具鋼和不鏽鋼材料的鐳射拋光
鐳射拋光金屬的研究，目前應用在模具鋼的報道最多。最早提出將鐳射拋光應用在X40Crl3模具鋼表面，並通過實驗得到平整光滑的拋光表面。選擇注塑模鑲件中所用的，硬度為62HRC的DINl.2379工具鋼來進行鐳射拋光實驗。做出了很多工作，他們選擇AISI-01冷作模具鋼。採用鐳射，對經過電火花加工處理的C45鋼、X40CrMoV51工具鋼進行了拋光研究。同時採用具有52HRC硬度的DIN1.2344工具鋼和鐳射燒結的AISI 420滲銅不鏽鋼來進行鐳射拋光實驗。研究了s7工具鋼材料的鐳射拋光特性。使用AISI H13模具鋼來進行鐳射拋光實驗，選擇Fe，Al，Ti和304不鏽鋼幾種金屬材料進行了拋光對比實驗研究。作為模具和汽車行業中經常用到的球墨鑄鐵材料，由於其具有遊離的石墨形態、較高的'熔化溫度，因此一般很難被拋光，使用GGG70L球墨鑄鐵材料來進行鐳射拋光實驗研究驗證。Smith等[7，36]使用304不鏽鋼模具來作為拋光材料，也採用304不鏽鋼來研究金屬表面在鐳射拋光作用下的熔化現象。使用鐳射，對銑削加工後的316 L不鏽鋼進行拋光實驗，用選擇性鐳射熔化316 L不鏽鋼材料來進行鐳射燒蝕拋光實驗，而直接對316 L材料進行拋光實驗，也採用316L材料來進行鐳射拋光實驗研究。
1.2鈦合金材料的鐳射拋光
鈦合金具有極其優良的物理和化學效能，如強度高、質量輕和耐腐蝕等。可以被應用於電子、冶金、航天技術和醫學等各個領域。鈦合金目前以Ti6A14V材料研究最多。很多學者都選擇Ti6A14V來進行鐳射拋光實驗。選擇用鐳射拋光，應用於工業純鈦拋光的同時實現表面改性。使用脈衝鐳射沉積方法，得到光滑的Ti64材料表面。使用VT16鈦合金來進行鐳射拋光實驗。
1.3其他金屬材料的鐳射拋光
在其他金屬材料方面，目前應用最多的是採用鐳射技術直接或者間接地拋光鐳射燒結的金屬產品。採用鐳射來拋光一種選擇性鐳射燒結鐵銅合金零件。採用鐳射，對選擇性鐳射燒結的銅合金表面進行拋光，用鐳射來拋光燒結青銅，採用LaserForm ST-100的燒結青銅件來進行鐳射拋光實驗。
2、金屬拋光鐳射器的選擇型別
2.1氣體鐳射器的應用
最先採用2500 w的C02鐳射器，用於金屬表面的鐳射拋光實驗研究。後來也使用這種鐳射器來進行拋光研究。對高硬度的DIN 1.2379工具鋼進行鐳射拋光實驗時，選擇了一個2.5 kW的C02鐳射器和一個3.1 kW的高功率二極體鐳射器。
2.2固體鐳射器的應用
鐳射拋光金屬材料最關鍵的因素之一是選擇合適的鐳射器，目前來說，Nd：YAG鐳射器以其卓越的效能，被最多的應用於金屬材料的拋光研究中。早在2001年，就開始研究Nd：YAG（1064nm）鐳射器來拋光金屬材料，2004年，就研究使用532 nm波長的Nd：YAG固體鐳射器來拋光金屬表面。成功使用Nd：YAG鐳射器（1064 nm）來拋光金屬材料表面，使用一個連續（CW）Nd：YAG鐳射器進行激光表面拋光，使用一個266 nm波長的Nd：YAG鐳射器來進行鐳射拋光實驗。同時採用波長為1064和532nm的Nd：YAG皮秒鐳射器來拋光金屬表面。選擇一個Yb：YAG鐳射器，波長1.03/Lm的鐳射器來做拋光實驗。選擇了雙束鐳射器來進行鐳射拋光實驗，其中一個Yb：YAG鐳射器用來預熱金屬表面，另外一個Nd：YAG（1064nm）鐳射器用來拋光金屬表面。開始嘗試使用超短的皮秒鐳射器（波長1030nm）來進行鐳射拋光實驗，這種鐳射器使鐳射與金屬材料相互作用的時間非常短，鐳射作用在材料上幾乎不產生熱影響區。因此，採用這種鐳射器對金屬材料的拋光將是一個重大的突破。
2.3半導體和其他鐳射器的應用選擇
1070nm波長的光纖鐳射器來進行金屬表面的拋光實驗，通過二極體來控制鐳射器的開關。使用波長1.07μm的脈衝光纖鐳射器來進行鐳射拋光實驗。對316L進行拋光實驗，分別選擇532nm波長的CW半導體鐳射器和35513.m波長的大功率紫外鐳射器（AVIA355-3000）組合的方式，來同時進行拋光金屬實驗。他採用CW半導體鐳射器來控制輸出的鐳射的能量密度，採用紫外鐳射器來進行拋光。使用KF準分子鐳射器，對幾種金屬表面進行了拋光實驗。
3、展望
鐳射拋光應用在金屬材料上，作為一種新型的加工技術，已經得到越來越多的研究者的關注。這種方法具有其獨特的優越性，它是一種非接觸式拋光方法，靈活性強，既可以對材料整體拋光，又可以區域性拋光。其拋光在大氣環境中進行，對材料沒有限制。通過對這種技術的進一步深入研究，可以為現代工業提供一種高效率、高柔性、低成本、工藝相對簡單的拋光方法。鐳射拋光金屬這項技術雖然有其許多優點，但目前對其研究工作還不是很多。其本身的限制條件也是一個重要原因。如由於鐳射器型別的限制，很多鐳射不能應用在金屬表面的拋光中。正是近年來鐳射器的不斷髮展，才有很多學者開始嘗試使用新型的鐳射器對金屬表面進行拋光。因此，作為鐳射拋光的最大的限制條件，開發出新的鐳射器是目前的最大的研究需求之一。此外，三維（3D）增材製造現在是一個研究熱點，而一般3D增材製造得到的金屬表面都比較粗糙，使用鐳射對這種金屬表面進行直接拋光是最好的方法。但是目前鐳射對3D增材製造的表面拋光的文獻報道還不是很多，因此，關於這方面還有大量的研究工作可以進行。進一步的研究還需要開發新的鐳射拋光金屬表面的模型，為鐳射拋光工藝引數的選擇建立一個知識庫。同時，對鐳射拋光表面的其他特性，如表面摩擦效能、微/奈米表面裂縫的形成進行全面描述，另外，對於選擇不同的材料進行鐳射拋光時，拋光工藝引數的快速選擇和優化也是一個需要研究的方向。
4、結束語
鐳射拋光作為一種有效的拋光方法，完全有可能替代人工拋光。但是，僅僅通過實驗來證明鐳射能拋光金屬材料本身是遠遠不夠的，深入的分析鐳射與材料相互作用的機理是很有必要的。目前的研究工作，主要是圍繞機理形成、建模計算、工藝實驗、分析結果等幾方面進行，但總體研究水平尚處在初步的探索階段，進入實際的企業生產應用還需要一定的時間。