激光表面改性

56 引6 言
# # 由于激光特有的优良属性， 自从 ’" 世纪中期激光器的 研制成功以来， 激光已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。 激光表面改性是激光在表面技术领域中的新的应用， 虽然在激 光应用领域中只占大约 !/S 的比重， 但由于激光表面处理同其 他表面处理技术相比具有很多独特的优点， 如激光熔化后形成 的组织， 化学均匀性很高， 而且晶粒非常细小， 因而强化了合金， 使耐磨性大大提高； 由于热输入小， 工件变形小， 对基体产生的 热影响很小等等。因此在表面处理领域内， 针对激光表面改性 的研究和开发活动相当活跃。 根据采用的不同的激光能量密度和不同的处理方式， 激光 表面改性技术中比较典型的方法有几种： 激光熔覆、 激光表面熔 凝、 激光相变硬化、 激光冲击强化、 激光表面合金化等。这些方 法的目的都是为了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高 硬度、 高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能， 从而实现既节约了成 本， 又满足工作要求的目的。本文综述了激光表面改性技术的 研究和应用状况， 展望了激光表面改性技术的发展趋势。
［9］ 的硬度， 如图 1 所示 。
率的效果相当明显， 对 1)1*8#91 铝合金进行激光冲击试验， 发 现铝合金的疲劳裂纹速率显著降低， 位错密度的提高和表面残 余压应力的形成是激光冲击处理降低材料裂纹扩展速率的主要
万方数据
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肖红军等# 激光表面改性 ##################################################
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光淬火， 就是利用激光将金属材料加热到相变点以上， 金属熔化 以前， 依靠金属自身冷却达到淬火的目的。激光相变硬化的实 质是马氏体相变硬化。马氏体和亚结构晶粒都被超细化， 相变 硬化后残余奥氏体也被显著强化。与常规热处理淬火相比较， 激光相变后材料硬度要提高 !+= , 1)= ， 低碳钢也能提高一定
［ !! ］ 原因 。
景， 潜力很大， 经济效益可观， 国内外都在积极投入力量进行研 究。为了得到综合效果更好的表面层， 复合表面改性技术将是 激光表面改性的一个重要方向。由于激光光束小， 导致处理面 小是激光表面改性技术急需解决的问题。随着激光器、 机器人 和自动控制技术的发展， 激光表面改性技术将向着大功率、 自动 化、 智能化的方向迈进。激光表面处理技术对环保几乎没有负 面效应， 明显的性能优势将使激光表面改性技术在众多表面改 性技术中占据主导地位。
激光熔覆是应用较为广泛的表面改性技术。利用激光熔覆
［ 作者简介］ 肖红军 （ !)R+ - ） ， 男， 四川德阳人， 助工， 在读研究生， 主要从事焊接材料及材料表面处理的研究。
万方数据
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表" 面" 技" 术 第 #$ 卷" 第 % 期 &’() #$" *+) % ./01234 5436*+7+89 " !,,% 年 -, 月 +:;) !,,%" ##################################################
［!］ 区等局部区域的表面强化。激光冲击原理图见图 . 。
!" 激光表面熔凝
激光表面熔凝是采用高能量密度的激光， 将材料表面层熔 化， 然后依靠材料自身快速冷却凝固。利用激光表面熔凝技术 实现材料表面局部的快速加热和冷却， 从而获得非常细密的非 平衡快速凝固组织。在较大的程度上增强了材料表层的耐磨性 和耐蚀性， 使材料性能得到改善。激光熔凝表面改性技术在激 光表面改性技术中是比较成熟的技术， 工业应用也比较广泛。 铸造铝合金采用激光表面熔凝技术进行表面强化， 扩大了 铝在汽车零部件中的应用范围， 大大减轻了汽车的 自 重。对 >#+)8!/ + 及 ’#1)8*) 铸铁进行的表面熔凝处理， 得到了具有很高硬
技术对镍基合金制造的航空发动机涡轮叶片熔覆钴基合金， 提 高了耐热性和耐磨性能， 缩短了生产时间， 提高了质量稳定性， 并消除了由热影响所导致的裂纹等不利倾向等； 采用激光表面 熔覆技术， 在钛合金的零件表面生成含有 #$% 和 #$& 的表面复 合层， 制成了具有高硬度、 高耐磨性及化学性能稳定的表面改性 层， 使改性层平均硬度达 ’(!))) 以上， 耐磨性较钛合金基材提 高了 *+ , -./ 0 倍。从而克服了钛合金摩擦系数高， 耐磨性低、
［1］ 高温高速摩擦易燃等致命缺点 。
在汽车发动机气门、 气门座圈密封锥面、 阀门座表面等要求 耐高温、 耐磨损及耐腐蚀性的工作面上， 用激光熔覆形成具有优 良的耐磨、 耐热性合金涂层。熔覆 %$&23$4 使电化学性能提高 以及熔覆陶瓷材料提高耐蚀、 耐磨等性能； 激光熔覆处理还可以 改善工模具钢的表面硬度、 耐磨性、 红硬性、 高温硬度、 抗热疲劳 等性能。不同程度地提高了工模具的使用寿命。在应用较多的 磨具材料 &2 !1 56( 表面采用激光熔覆合金粉 （ 7’%$89): 或 7’%$1+;&89): ）后，材 料 表 面 硬 度 由 *9.’(1% 提 高 到 -1.’(1% （ 峰值） ， 耐磨损性能提高幅度可达 *<= , <9=［.］。在 轧辊行业中， 利用激光熔覆技术对轧辊表面进行改性和修复已 成为国内外普遍关注的实际问题。
［*］ 度的表面， 硬度值可以达到 !)))’( 以上 ， 这样就大大提高了
铸铁零件的耐磨性。普通球铁经过激光表面熔凝处理后， 在球 铁表面熔凝区得到极细的渗碳体和奥氏体细晶区， 过渡层为相 变硬化区得到细小的莱氏体和较多的粗针状马氏体， 石墨发生 溶解进入基体， 从而大大改善了球墨铸铁的耐腐蚀性能和耐磨
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在对 *+ 钢的激光冲击试验中， 激光冲击在试件表面产生的 冲击波峰值为 1/ << , 9/ )1?7@， 超过 *+ 钢的 屈 服 强 度 （ !/ 1. ?7@） 。试验结果显示激光冲击试件的疲劳寿命是未冲击试件
［ !) ］ 。激光冲击对于降低材料的疲劳裂纹扩展速 的 !/ ! , 1/ ! 倍
［ 收稿日期］ ’""/ - "+ - !R
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激光熔覆
激光熔覆是采用大功率激光束扫描金属表面， 将选定的材
料熔化到金属表面， 形成具有硬度高、 耐磨性好、 抗腐蚀等特性
［!］ 的涂覆层。激光熔覆技术示意图见图 ! 。
!L 短型光束或高斯型光束# ’L 气动送粉# .L 测量孔# (L 振动器 （ ’/L ( U /L 粉末漏斗箱# +L 0T’ 气体激光束高频振动# RL 样品运动 R+L ’:F V F=?） # $L 样品 （ WX;Y%KR"" ） # )L 熔覆厚度# !"L 熔覆层 图 !# 激光熔覆技术示意图
［ 参 考 文 献 ］
激光冲击在提高焊缝强度方面的应用研究工作做得较少， 相关的报道不多， 但激光冲击技术用于改善焊接接头区性能的 研究工作具有相当的吸引力。