激光束表面改性技术

激光束表面改性技术

摘要：激光束表面改性技术在改善材料表面性能,提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。它作用于材料表面使得材料的表面性能得到了明显的提高，随着研究的深入和技术的逐渐成熟，表面改性技术在工业领域中的应用越来广泛，目前进行材料表面改性的工艺有激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化，本文就其工艺方法进行了综述。

一、引言

激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但是直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用。它是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术，用激光的高辐射亮度，高方向性，高单色性特点，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却, 使金属材料表面在瞬间被加热或熔化后高速冷却，来实现其表面改性的工艺方法。

二、激光相变硬化

激光表面相变硬化又称激光淬火，它是以104～105W/cm2高能功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度，使受激光束作用的工件表面部位温度迅速上升到相变点以上，形成奥氏体，并通过仍处于冷却态的基体与加热区之间形成的极高的温度梯度的热传导，一旦激光停止照射，则以105℃/s的速度冷却，实现自冷淬火，形成表面相变硬化层。

三、激光熔覆

激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面，使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。这项技术始于1974年, Gnanamuthu申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利[3]。经过二十几年的发展, 激光熔覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。影响激光熔覆的因素主要有熔覆材料的原始成分、基体材料成分、熔覆的工艺参数。激光熔覆技术示意图见图1

1.短型光束或高斯型光束

2.气动送粉

3.测量孔

4.振动器

5.粉末漏斗箱

6.二氧化碳气体激光束高频振动7样品运动

8.样品9.熔覆厚度10.熔覆层

图1激光熔覆技术示意图

⑴激光熔覆材料

激光熔覆材料主要有镍基、钴基、铁基自熔性合金和金属陶瓷等类型；激光熔覆材料的选择，主要考虑使用性能及工艺性能等因素。一般来讲，镍基合金适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的零件，所需的激光功率密度较高；钴基合金适用于要求耐磨、耐蚀、抗热疲劳、高温强度要求较高的零件；铁基合金大多数用于要求局部耐磨的零件且需激光功率较低；陶瓷涂层用于热稳定性、化学稳定性要求较高的高温耐磨、耐蚀或表面磨损特别严重的零件。

⑵激光熔覆工艺参数

激光熔覆工艺参数包括激光输出功率、光斑尺寸、扫描速度及送粉速度或与之层厚度等。输入的激光能量以合金粉末充分熔化、基材熔化适当为准，实际工艺参数与基材的成分、预热状态、熔覆材料的种类等有关，一般以熔覆层的接触角θ的大小进行评价，接触角越大，熔覆材料熔化越充分，稀释率也越高；当θ<90°时，基材未熔化，熔覆材料的熔化状况也不好，熔覆层与基体未焊合。

⑶稀释率

稀释率是指在激光熔覆过程中，由于基材元素的混入而引起的熔覆层合金成分的变化，用基材合金在熔覆层中所占的百分比表示。激光熔覆优于其它熔焊技术的一个很重要指标，就是稀释率低。因此，在进行激光熔覆处理时，必须充分考虑稀释率的变化，激光熔覆的稀释率一般不超过8%。稀释率的测定，有实际成分测量计算法和横截面积测量计算法两种。

①实际成分测量计算按下式进行[2]

稀释率：η=［ρp(Xp+s%-Xp%)］/

［ρs(Xs%-Xp+s%)+

ρp(Xp+s%-Xp%)］

式中，ρp为熔覆合金的密度；ρs为基材密度；Xp%为熔覆合金中元素X的质量分数；Xs%为基材中X元素的质量分数；Xp+s为整个熔覆层搭接处X元素的质量分数。

②用横截面积法计算出稀释率

稀释率：η=A1/（A1+A2）

式中：A1为基材熔化区截面积；A2为熔覆区截面积。

上式简化，可用下式进行计算：

稀释率：η=h/(H+h)

式中，h为基材熔深；H为熔覆层高度。

四、激光合金化

激光表面合金化是利用高能激光束加热并熔化基体表层与添加元素，使其混合后迅速凝固，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。激光表面合金化具有许多独特的优点：能进行非接触式的局部处理，易于实现不规则的零件加工；能量利用率高；合金体系范围宽；能准确控制各工艺参数，实现合金化层深度可控；热影响区小，工件变形小[1]。

激光表面合金化质量除与不同的合金体系有关外，还与激光器的类型、输出功率、光斑尺寸、扫描速度等因素有关。激光合金化时能量密度一般为104～108W/cm2，作用时间为0.1～10ms，熔池深度可达0.5～2.0mm，相应的凝固速度达20m/s。

激光表面合金化可分为三种工艺方式：

⑴预置法即先将合金化材料预涂覆于需强化部位，然后进行激光扫描熔化，实现合金化。预涂覆可采用热喷涂、气相沉积粘结，电镀等工艺。实际应用较多的粘结法工艺简单，便于操作，且不受合金成分限制。

⑵硬质粒子喷射法采用惰性气体将合金化细粉直接喷射至激光扫描所形成的熔池，凝固后硬质相镶嵌在基体中，形成合金化层。

⑶激光气相合金化将能与基材金属反应形成强化相的气体（如氮气、渗碳气氛等）注入金属熔池中，并与基材元素反应，形成化合物合金层。

五、激光非晶化

1976年美国联合技术研究中心首先提出激光非晶化的理论和应用。就非晶态合金而言，有许多优异的特性是晶态合金无法相比的。同样表面非晶态合金具有很高的耐磨性、耐蚀性，特殊的电学磁学和化学性能[4]。它的原理是基于被加热的金属表面熔化，在大于一定临界冷却速度急冷到低于某一特征温度，以抑制晶体形核和生长，而获得非晶态金属。与急冷法制取的非晶态合金相比，激光法制取的非晶态合金的优点是：冷却速度高，达到1012～1013k/s，而急冷法的冷却速度只能达到106～107k/s。可在金属零件的表面上形成可控的非晶层。对纯金属元素也可获得非晶。激光法制取的非晶态合金的缺点是：目前还不能直接生产非晶金属薄带。激光一次扫描制造非晶合金的宽度不能过宽。在相同条件下，