激光表面改性技術(shù)及其應(yīng)用

1、材料表面技術(shù)激光表面改性技術(shù)及其應(yīng)用綜述李德耀（北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京 100081）摘要：激光表面改性技術(shù)是一種獨(dú)特而有效的表面處理技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。本文簡單介紹了激光表面改性的特點(diǎn)，特別是激光表面淬火、激光表面溶凝、激光合金化和激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用，最后指出了激光表面改性技術(shù)存在的問題和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：激光表面改性技術(shù)；激光表面淬火；激光表面溶凝；激光合金化；激光熔覆技；應(yīng)用Technology of Laser Surfacing Modification and Its Application are ReviewLi Deyao(Department of Mat

2、erials, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)Abstract: Laser surface modification is a special and effective way of material surface treatment, which is widespread use in industrial production. This paper gives a compendium of the research and the development situation of laser surface mo

3、dification, in particular, it focuses on several aspects of the following: laser surface hardening, laser fusing together, laser surface alloying and laser cladding, and its recent development status are also discussed. At last, the paper describes the existing problems and development prospect of l

4、aser surface modification.Keywords: laser surface modification; laser cladding; laser fusing together; laser surface alloying; laser cladding; application1 引言材料表面處理的方法有很多，應(yīng)用激光對材料表面實(shí)施處理則是一門新興的技術(shù)。激光表面改性的研究始于20世紀(jì)60年代，但是直到20世紀(jì)70年代，隨著大功率CO2激光器的出現(xiàn)，激光表面改性技術(shù)才開始大量應(yīng)用在汽車、電力、機(jī)械等行業(yè)。激光表面改性技術(shù)主要有：激光表面淬火、激光表面快速溶凝、激光

5、表面合金化和激光熔覆等，本文針對各種激光表面改性技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用做了探討。2 激光表面改性技術(shù)原理及特點(diǎn)激光表面改性技術(shù)是利用高能量密度的激光使金屬材料表面在瞬間(毫秒甚至徽秒級)被加熱或熔化后高速冷卻(可達(dá)104108K/s)，從而使材料表面的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變1。激光表面改性技術(shù)與激光工程的發(fā)展密切相關(guān)。激光是一種相位一致、波長一定，方向性極強(qiáng)的電磁波，可以通過聚焦來獲得極高的功率密度（104109W/cm2）。激光表面改性中應(yīng)用的激光類型主要有3種:CO2激光(= 10. 6m) ，Nd: YAG激光(= 1. 06m)和準(zhǔn)分子激光。其它類型的激光還有銅蒸汽激光，紅寶石激光，氬離

6、子激光等2。美國通用汽車公司自1974 年首次將CO2 激光器用于激光淬火以來，先后建立了17 條激光熱處理生產(chǎn)線，每日可處理零件3萬件。該公司對易磨損的汽車轉(zhuǎn)向器齒輪內(nèi)表面用激光處理出五條耐磨帶，克服了磨損問題，且基本無變形。此后德國、日本、意大利等國的汽車公司紛紛引入激光表面改性技術(shù)，并獲得了很高的經(jīng)濟(jì)效益。通過激光表面改性的處理，可以使材料表面性質(zhì)發(fā)生變化，提高材料表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能，進(jìn)而滿足工業(yè)生產(chǎn)的各種需求。相比于其他表面處理工藝，它具有以下顯著優(yōu)勢：（1）激光束功率密度高，材料加熱和自冷卻速度極快，激光硬化處理后的工件表面硬度比常規(guī)淬火高5%20%，耐磨性提高110倍

7、。（2）依靠材料本身傳到實(shí)現(xiàn)自冷卻，無需冷卻介質(zhì)，工作效率高，有利于自動化生產(chǎn)。（3）可處理零件的特定部位及其他方法難以處理的部位，對表面輪廓復(fù)雜的零件，可進(jìn)行靈活的局部強(qiáng)化。（4）材料變形量小，熱影響區(qū)窄，幾乎不影響周圍基體的組織。雖然激光表面改性技術(shù)有著明顯的優(yōu)越性，但是相關(guān)設(shè)備投入高，需要專業(yè)人操作，且處理局限于材料表面，對芯部的性能無法改變，這些缺點(diǎn)也制約了激光表面改性技術(shù)的發(fā)展。（a）（b）圖2-1 CO2激光器基本結(jié)構(gòu)（a）和汽車轉(zhuǎn)向器（b）3 幾種常見的表面改性技術(shù)3.1 激光表面淬火激光表面淬火是利用激光以105106 oC/s的加熱速度作用在金屬表面上，使其溫度迅速上升至相變

8、點(diǎn)以上，并通過基體的熱傳導(dǎo)，以105 oC/s的冷卻速度實(shí)現(xiàn)自冷淬火，又稱為激光相變硬化3。由于加熱速度快和冷卻時間短，工件表層達(dá)到奧氏體化的深度較淺（淬硬層厚度一般小于1mm）4。所以得到的硬化組織較細(xì)，硬度比常規(guī)淬火工藝高5%20%。激光表面淬火和常規(guī)表面淬火工藝對比見表3-15：表3-1 激光表面淬火與其他表面淬火的比較激光表面淬火和普通淬火所得金相組織相同，都是馬氏體、碳化物和殘余奧氏體。但是激光表面淬火加熱和冷卻的速度極快，致使所得到的晶粒非常細(xì)小，且金相排列不規(guī)則，金屬內(nèi)部位錯密度高，固溶含碳量高，從而使得材料表面的硬度和耐磨性都有很大提升。激光功率、光束能力分布狀態(tài)和光斑尺寸是激

9、光表面淬火的3個主要參數(shù)6，直接決定了激光掃描下工件內(nèi)部的溫度場分布形態(tài)，從而對相變硬化層尺寸，分布形態(tài)及表面硬度產(chǎn)生重要影響。激光表面淬火的應(yīng)用非常廣泛，1974年，美國通用汽車公司首先采用該技術(shù)對汽車轉(zhuǎn)向器齒輪沒表面進(jìn)行處理，克服了磨損問題。德國MANB&W公司對40/50和L58/64型船用柴油機(jī)氣缸套眉筆進(jìn)行激光淬火，日本對45鋼、鉻鉬鋼、鑄鐵等材料進(jìn)行激光淬火；我國天津渤海無線電廠、青島激光技工中心也采用激光表面淬火的技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著；此外激光表面淬火還廣泛應(yīng)用在非調(diào)質(zhì)鋼表面處理，冶金機(jī)械設(shè)備、模具制造等眾多領(lǐng)域2467。3.2激光表面快速溶凝又稱激光表面晶粒細(xì)化，是使用適

10、當(dāng)參數(shù)的激光輻照金屬材料的表面，使其表層快速熔融和冷凝，得到極細(xì)或超細(xì)化組織結(jié)構(gòu)的熔凝層，其熔凝層晶粒細(xì)化，成分均勻化8。由于激光加熱速度快，相變驅(qū)動力大，奧氏體形核數(shù)目多，臨界半徑小，因而冷卻后溶凝層中形成的燭臺組織非常細(xì)密，能使性能得到改善，可以增強(qiáng)材料表面的耐磨性和腐蝕性7。圖3-1 激光表面快速溶凝示意圖與激光表淬火相比較，激光溶凝處理產(chǎn)生的熔池存在傳熱、傳質(zhì)等動力學(xué)現(xiàn)象要復(fù)雜得多，這些都關(guān)系到融化區(qū)形狀、溫度分布、化學(xué)成分均勻性、氣孔、裂紋等缺陷的形成，所以一直受到國內(nèi)學(xué)者的重視。適宜進(jìn)行激光溶凝處理的材料主要有鑄鐵、工具鋼和不銹鋼、鋁合金等，其中鑄鐵是最理想的材料，據(jù)報道，白口鑄鐵

11、、灰鑄鐵耐磨性可提高67倍9。此項技術(shù)也次在灰鑄鐵凸輪表面強(qiáng)化中得到應(yīng)用，凸輪表面獲得的熔層厚為0.2mm，硬化層后0.7mm，寬3.43.6mm，表面硬度為895HV，耐磨性也很高7。德國大眾公司用該技術(shù)取代了先前的鎢極氬弧重熔工藝2。國外對Al8Fe(Al含量為1%)合金進(jìn)行激光凝熔處理后的熔區(qū)枝晶進(jìn)行微觀計算模擬機(jī)測量，得出了直徑細(xì)胞頭部半徑與凝固速度的關(guān)系式和凝固速度對直徑分布的影響規(guī)律，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)激光熔池中枝晶組織生長方向強(qiáng)烈地受基材晶粒取向和激光束掃描方向的影響 10。3.3 激光表面合金化 激光表面合金化是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種表面改性技術(shù)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。它

12、是將合金元素或化合物直接或間接結(jié)合到基體材料的表面，在高能光束的照射下，合金元素或化合物快速、均勻地分散并熔滲在熔池中，在液化層的擴(kuò)散作用和表面張力效應(yīng)等物理現(xiàn)象的影響下，熔化層在很短時間內(nèi)形成具有要求深度和化學(xué)成分的表面合金化層11，示意圖如圖3-212。熔化層在凝固時獲得的冷卻速度可達(dá)105108 oC/s，相當(dāng)于急冷淬火技術(shù)所能達(dá)到的冷卻速度，快速熔化非平衡過程可以使合金元素在凝固后的組織達(dá)到很高的飽和度，從而形成普通合金化方法很難得到的化合物、介穩(wěn)相及新相，還能在合金化元素消耗量很低的情況下獲得具有特殊性能的表面合金13。圖3-2 激光表面合金化示意圖激光表面合金化與普通電弧表面硬化和

13、等離子噴涂相比，具有明顯優(yōu)越性：（1）合金元素完全溶于表層內(nèi)，所得薄層成分是均勻的，對開裂及剝落等傾向不敏感。（2）所用激光功率密度高（104108W/cm2），熔化深度由激光功率和照射時間來控制。在基體金屬表面可形成深度為0.012mm的合金層。（3）可準(zhǔn)確地控制激光功率密度與加熱速度，從而變形小，可省去校直和打磨加工等后續(xù)工序。基于以上優(yōu)點(diǎn)，激光合金化在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。美國有兩家飛機(jī)制造企業(yè)采用這種技術(shù)，對噴氣機(jī)渦輪葉片外緣涂覆了鈷基合金涂層，日本采用激光合金化技術(shù)在汽車用彈簧鋼SAE9260的基礎(chǔ)上添加Nb，利用其細(xì)化晶粒和沉積強(qiáng)化的作用，提高彈簧的減振性，屈服強(qiáng)度提高100 MPa

14、 左右，并在沿用原生產(chǎn)工藝的情況下使材料減重約25%11，北京航空航天大學(xué)利用預(yù)涂Si粉的方法，對Ti-6Al-4V合金進(jìn)行激光表面合金化,成功制得了以高熔點(diǎn)高硬度金屬間化合物Ti5Si3為增強(qiáng)相的新型金屬基耐磨復(fù)合材料表面改性層14。3.4 激光表面熔覆激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，是一種重要的材料表面強(qiáng)化與加工技術(shù)，它是利用高能量密度激光束（104106 W/cm2）在金屬表面輻照，通過迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固（冷卻速度通常達(dá)到102106 /s），在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的，具有特殊的物理、化學(xué)或力學(xué)性能的改性層，從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能15。它與激光表

15、面合金化的區(qū)別在于：激光表面合金化是使添加的合金元素和基材表面全部混合, 而激光表面熔敷是預(yù)敷層全部熔化而基層表面微熔,預(yù)敷層的成分基本不變,只是使基材結(jié)合處變得稀釋7。（a）（b）圖3-3 激光熔覆工藝圖（a）和激光熔覆處理金相組織示意圖（b）激光表面熔覆根據(jù)合金供應(yīng)方式的不同，可以分為兩大類：預(yù)置法和同步送粉法16。預(yù)置式涂層法是先將粉末與粘結(jié)劑混合后以某種方法預(yù)先均勻涂覆在基體表面,然后采用激光束對合金涂覆層表面進(jìn)行照射,涂覆層表面吸收激光能量使溫度升高并熔化,同時通過熱量傳遞使基體表面熔化,熔化的合金快速凝固在基材表面,形成冶金結(jié)合的合金熔覆層。同步送粉法是通過送粉裝置在激光熔覆的過程

16、中將合金粉末直接送入激光作用區(qū),在激光作用下基材和合金粉末同時熔化,結(jié)晶形成合金熔覆層。同其他表面強(qiáng)化技術(shù)相比,它具有以下特點(diǎn):冷卻速度快；熱輸入和畸變較小,涂層稀釋率低(一般小于5% )；與基體呈冶金結(jié)合；能進(jìn)行選區(qū)熔覆等。表3-25列舉了激光表面熔覆與其他常見表面修復(fù)技術(shù)的比較：表3-2 激光表面熔覆與其他常見表面修復(fù)技術(shù)的比較激光熔敷從20 世紀(jì)70 年代提出到20 世紀(jì)80 年代獲得廣泛應(yīng)用，美國的汽車排氣閥座用激光熔覆Stellite合金，俄羅斯利哈喬夫汽車廠的排氣閥座激光熔覆耐熱合金17。在國內(nèi)，中國科學(xué)研究院腐蝕與防護(hù)研究所激光應(yīng)用技術(shù)中心已成功將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)的葉

17、片的耐磨和修復(fù)上南京航空航天大學(xué)在Q235 鋼表面激光熔覆稀土合金層提高其耐磨性18。4 激光包面改性技術(shù)的應(yīng)用前景激光表面改性技術(shù)是未來工業(yè)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一，具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電器、航空、兵器、汽車等制造行業(yè)，是未來工業(yè)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一。但是激光表面改性技術(shù)設(shè)備成本昂貴，與傳統(tǒng)表面對焊和噴涂設(shè)備相比，成本較高，而且不同材質(zhì)部件表面需要不同成分的粉末和不同的工藝參數(shù)，均需進(jìn)行摸索研究，這也在一定程度上制約了該技術(shù)的發(fā)展。目前，世界各國都已經(jīng)加緊研究新的激光器和輔助設(shè)備，加強(qiáng)了對激光表面處理技術(shù)改性機(jī)理的研究，相信該技術(shù)將會擁有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前

18、景。參考文獻(xiàn)：1 王華.激光表面改性技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀J.高壓電器，1992，（2）：3536. 2 趙新，金杰，姚建銓. 激光表面改性技術(shù)的研究與發(fā)展J.光電子激光，2000,2（3）：325327.Zhao Xin, Jin Jie, Yao Jianquan. Studies and Developments of Laser Surface Modification TechnologiesJ. Journal of Optoelectronics laser, 2000,2（3）：325327.3 肖愛紅，邱長軍，李學(xué)兵. 激光表面改性技術(shù)及其應(yīng)用綜述J.機(jī)械制造，2006,44（49

19、9）：59.4 羅東升. 激光表面淬火在冶金機(jī)械備件中的應(yīng)用J. 江蘇冶金，2004，（05）：5 郎娟，邢志華，朱起云. 激光表面改性技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用J.中國設(shè)備工程，2003,17（3）：1718.6 邱國旺，趙向陽，吳浪武. 激光表面淬火在模具制造中的應(yīng)用J.裝備制造技術(shù)，2014，（3）：150151.Qiu Guowang, Zhao Xiangyan, Wu Langwu. Application of Laser Face-quench in Mould ManufacturingJ. Equipment Manufacturing Technology. 2014，（3）：1

20、50151. 7 應(yīng)小東，李午申. 激光表面改性技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀J. 焊接，2003，（1）：58.Ying Xiaodong, Li Wushen. Technology of Laser Surfacing Modification and Development Situation Domestically and AbroadJ. Welding & Joining, 2003，（1）：58.8 吳細(xì)毛，崔振揚(yáng)，孫永瑩. 激光表面改性技術(shù)在電廠中的應(yīng)用前景J.東北電力技術(shù)，2002，（1）：1213. Wu Ximao, Cui Zhenyang, Sun Yongying

21、. The Application Prospect of Laser Surface-Modification Technology in Power Plants. Northeastern Electric Power Technology, 2002，（1）：1213.9 王昆林，劉家浚. 激光表面改性技術(shù)的現(xiàn)狀與進(jìn)展J.表面工程，1994,(2):13.Wang Kunlin, Liu Jiajun. Present and Development of Laser Surface Modification Technology. Surface Engineering, 1994,

22、(2):13.10 楊森，黃衛(wèi)東等. 激光表面快速熔凝過程中熔區(qū)組織重構(gòu)J. 應(yīng)用激光，2001,21(4):225 228.Yang Sen, Huang Weidong. Reconstruction of Molten Pool During Laser Surf ace RemeltingJ. Applied Laser, 2001,21(4):225 228.11 王斌修. 淺析激光表面合金化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向J.制造技術(shù)與機(jī)床，2012，（7）：90.Wang Binxiu. Application and development direction of laser surfa

23、ce alloyingJ. Manufacturing Technology & Machine Tool，2012，（7）：90.12 Wu Xinwei, et al. Critical State of Laser Cladding with Powder Auto-feeding J. Surface & Coatings Technology, 1996,79:20020413 榮烈潤. 激光表面合金化技術(shù)及其應(yīng)用J. 金屬加工，2012，（2）：13.14 蔣平，張繼娟，王華明. Ti-6Al-4V合金激光表面合金化制備Ti5Si3/Ti耐磨復(fù)合材料涂層研究J.稀有金屬材料與工程,2000,29(4):271.Jiang Ping, Zhang Jijuan, Wang Huaming. Wear-Resistant Ti5Si3/Ti Composite Coatings Made by Laser Surface AlloyingJ. Rare Metal Materials and Engineering. 2000,29(4):271.15 王東生，田宗軍等. 激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展J.應(yīng)用激光,2012,32(6):538543.Wang Dongshen, Tian