激光表面强化

1 激光表面技术发展背景
一般情况下工程构件的失效大多发生在表面，主要由疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起，这一现象促使材料工作者对材料表面产生极大关注，因而使材料表面强化技术得到迅猛发展。

理想的材料是整体保持足够的韧性和强度，同时表面获得较高的、特定的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等。

由于激光具有极强的方向性,极高的单色性和相干性,因而具有极高的单色能量密度，是一种精密可控的高能量密度的热源，（）因此被越来越广泛地应用到军事、医学、通信和工业等领域，尤其是机械加工和材料加工方面很大进展。

70年代以来，激光表面强化技术逐渐发展起来，成为一种新型材料表面处理技术。

2 激光表面技术原理
当高能激光束照射到材料表面时，激光被材料吸收转变成为热能，表层材料受热温度升高。

由于能量集中在一个很小的表面上，因此在短时间(10-1~10-7s)内材料就能升至高温(加热速度高达105~109e/s)，使表层材料发生固体相变、熔化甚至蒸发。

当切断或移开激光束后，材料表面快速冷却(冷速高达104e/s)，自然冷却就能实现表面强化。

在凝固过程中，受辐射表面由于产生晶粒细化、非稳态相和过饱和固溶体而具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

根据激光束与材料表面作用的功率密度，作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光表面强化。

激光辐照区的金属表面和光对金属穿透深度之间形成很薄的“热层”，激光在照射期间只对这一“热层”加热.，金属内部温度的变化依靠热传导。

这一“热层”可视为表面热源。

3 激光束表面强化的特点
（1）激光功率密度大，能量高，加热速度快(105~109e/s)，加热温度高，基体自然冷却速度高快>104e/s)，生产效率高。

（2）表面强化层组织细小，硬度高，表面光洁无氧化，具有高的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性。

（3）热影响区小，工件变形程度小。

（4）可局部加热，对某些形状复杂，非对称的零件及特殊部位均可进行表面强化处理，如深孔内壁、盲孔底部等。

（5）整个过程易于实现自动化；
（6）污染少，劳动条件好。

现阶段激光表面强化技术也存在一些问题，如对反射率高的材料要进行防反射处理，不适宜一次进行大面积处理，激光本身是转换效率较低的能源，激光设备价格较高，激光强化工艺不稳定、移植性差，在激光表面合金化和激光熔覆中还常常出现裂纹等问题。

因此，采用激光表面强化技术时，要选择适当的零件、材料和工艺，充分利用其优点，使之成为高效率、高经济效益的方法。

根据激光与材料表面作用的功率密度，辐射时间及方式不同，将激光表面强化方式分为：激光熔覆、激光合金化、激光重熔、激光相变硬化及激光冲击硬化。

其中,激光表面合金化和激光熔覆是通过改变表面成分和组织来实现强化目的。

利用高功率激光表面强化的好处在于节约具有战略价值和昂贵的合金元素、形成非平衡相和非晶态、晶粒细化、微观结构均匀化、提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析等。

4 激光重熔
激光重熔是在不加任何金属元素的基础上用激光辐射使金属表层形成薄的熔化层，金属液快速冷却、凝固，可以细化组织，减少偏析，形成高度过饱和固溶体，亚稳相乃至非晶态组织，提高材料表面的耐磨、抗蚀、抗氧化性能等，使表面性能得到改善。

由于有些铸件的粗大树枝状结晶中常有氧化物和硫化物夹杂，以及金属化合物及气孔等缺陷，如果这些缺陷处于表面部位就会影响到疲劳强度、耐腐蚀性和耐磨性，用激光做表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时由于迅速冷却而使晶粒得到细化。

激光重熔的特点
（1）表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合
（2）在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性
（3)）其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，甚至可以直接使用
5 激光熔覆
激光熔覆是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金赋予基体表面，形成与基体具有完全不同成分和性能，并具有冶金结合特征的合金层。

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经高能密度激光束辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，这种合金层与基体形成了复合材料，能充分发挥熔覆层和基体两者的优势，弥补相互间的不足。

通常选择具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀和抗疲劳性能特点的材料用作熔覆材料。

激光熔覆中常采用的熔覆材料有自熔性合金粉末、氧化物陶瓷粉末、复合粉末等。

自熔性合金粉末主要有镍基、钴基和铁基。

激光熔覆
与传统的熔覆工艺相比具有以下优点：合金层与基材形成冶金结合特征，结合强度更高；提供的快热快冷冶金条件，使组织致密并细化，极容易形成介稳态或非晶组织；熔覆层的稀释率小，熔覆厚度可精确控制；过热区小，对基材的不利影响较小激光熔覆是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金赋予基体表面
激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。

激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。

应用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固体激光器（主要包括碟片激光器，光纤激光器和二极管激光器，老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出市场）。

激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类：粉末预置法和同步送粉法。

两种方法效果相似，同步送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。

激光熔覆的特点
（1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等；
（2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；
（3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内；
（4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔覆高熔点合金；
（5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm；
（6）能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；
（7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆；
（8）工艺过程易于实现自动化。

激光熔覆技术进一步应用面临的主要问题是：
（1）激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。

激光熔覆过程中，加热和冷却的速度极快，最高速度可达1012℃/s.由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异，可能在熔覆层中产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度。

（2）激光熔覆过程的检测和实施自动化控制；
（3）激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究，但控制方法方面还不成熟。