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激光表面合金化摘要文章简述了激光加工技术中激光表面合金化的发展史和现状，激光表面合金化工艺的基本原理以及所使用的加工设备和选择的材料和涂层组织特征、简单的工艺方法和模具和合金材料的应用，最后对激光表面工艺未来的发展做出展望。一、激光表面技术发展史激光加工技术的研究始于20世纪60年代，但到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，并在近十年内得到迅速的发展。激光合金化的研究可以追溯到1964年。F.E.Cumningham首先采用红宝石激光器开发了激光合金化技术。从此，伴随激光器件的性能完善和大功率激光器的开发，激光表面合金化技术得到了迅速发展。尤其是80年代以来，各国对激光表面合金化技术研究工作也十分活跃。利用激光表面合金化工艺可在一些价格便宜、表面性能差的基体金属表面制出耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价合金获得更广泛的应用，从而大幅度降低成本。另外，它还可用来制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，例如，国外采用激光表面合金化工艺研制超导合金MoN、MoC；制造表面金属玻璃FeCr等。值得一提的是在汽车工业方面，激光表面合金化工艺有广泛的应用前景，它可以改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能，延长在各种恶劣工作条件下工作的汽车零部件如轴承、轴承保持架、汽缸、衬套、活塞环、凸轮、心轴、阀门和传动构件等的使用寿命，从而提高汽车整体的使用性能。二、激光表面合金化原理激光受激发射产生的光，激光表面处理技术是采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术，是高能密度表面处理技术中的一种最主要的手段，它具有传统表面处理技术或其他高能密度表面处理技术不能或不易达到的特点。激光表面处理技术工艺主要有激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击三类。激光熔融又有激光表面合金化、激光表面熔凝和激光表面熔覆等。激光是一种相位一致，波长一定，方向性极强的电磁波，激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光(直径只有0.1mm)，从而可以获得极高的功率密度(104~109W/cm2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段:吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。随着大功率激光器出现，以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发展。激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，又改变其化学成分的激光表面处理技术。激光表面合金化是指用高能激光束以扫描的方式照射基材，在表面产生熔池，同是，向熔池注入合金元素或增强陶瓷材料。一个金属涂层和其下面基材的快速融化、混合以及再凝固使涂层与基材产生合金化。激光表面熔炼可以在金属表面产生亚稳态的固溶体，金属表面的冷却速率可达105K/s，凝固速度达30m/s，获得的组织为非晶态或纳米晶结构。快速凝固使表面区域得以改性，且内部基体组织不受影响。该技术的优势包括能处理复杂几何形状、处理层深度可达数毫米低的操作成本以及对改性层的成分控制较好等。图1是激光表面合金化的工作原理示意图。图1激光表面处理工作合金化原理示意图激光表面合金化的主要优点是：激光能使难以接近的和局部的区域合金化；在快速处理中能有效地利用能量；利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度；能准确地控制功率密度和控制加热深度，从而减小形变。就经济而言，可节约大量昂贵的合金元素，减少对稀有元素的使用。激光合金化组织结构的主要特征是合金化区域具有细密的组织，成分近于均匀。激光表面合金化所采用的工艺形式有预置法、硬质粒子喷射法和气相合金化法。预置法是用沉积、电镀、离子注入、刷涂、渗层重熔、氧-乙炔和等离子喷涂、黏结剂涂覆等涂敷方法，将所要求的合金粉末事先涂敷在要合金化的材料表面，然后用激光加热熔化，在表面形成新的合金层。该法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。硬质粒子喷射法是在工件表面形成激光熔池的同时，从喷嘴中吹入碳化物或氮化物等细粒，使粒子进入熔池得到合金化层。激光气体合金化法是一种在适当的气氛中应用激光加热熔化基体材料以获得合金化的方法，它主要用于软基体材料表面，如Al，Ti及其合金。激光表面合金化的许多效果可以用快速加热和随后的急冷加以解释。在激光加热过程中，其表面熔化层与它下面的基体之间存在着极大的温度梯度。在激光作用下，其加热速率和冷却速率可以达到105～109℃/s。通过快速加热和快速冷却导致了许多特殊的化学特征和显微结构的变化，从而达到改善材料表面性能的目的。三、激光表面加工设备图2为武汉大族金石凯激光系统有限公司生产的HANSGS-RM大型模具激光热处理器。它能够用于激光表面合金化的工艺生产。图2GS-RM大型模具激光热处理器四、激光表面合金化材料选择在选择合金化材料时，首先应考虑合金化涂层的性能要求，其次要考虑合金化元素与母材金属熔体间相互作用的特性，还要考虑表面合金层与母材冶金结合的牢固性，以及合金层的脆性、抗压、抗弯曲等性能。在合金化组元的选择上，既有Cr、Ni、W、Ti、Co、Mo等金属元素，也有C、N、B、Si等非金属元素，以及碳化物、氧化物、氮化物等难熔颗粒。液态的不互溶性在激光合金化中可以被有益地用来制备特殊的薄膜材料，如Au-Ru合金。当液态的Au接触Ru表面时，熔融Au的能量不足以使Ru熔化，但在激光作用下可使Ru的表面微熔，其结果是微量的Au在界面处于Ru混合，形成了结合牢固的薄膜材料。就薄膜制备技术而言，这是一种与蒸发或溅射沉积方法不同的由液态急冷而形成的薄膜组织。这种组织增加了Au膜与Ru基体的附着性。激光急冷的Au-Ru系材料现成为研制高功率激光所需的金属镜材料之一。五、激光表面合金化涂层组织特征合金化涂层组织特征与其具体工艺条件及温度梯度与凝固速度之比有关。激光表面合金化过程中，温度梯度、溶质浓度、晶体长大速度均随时间变化，所以激光表面合金化涂层组织具有复合性特征，主要组织特征类型有三种：平面晶→胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶；胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶；胞状树枝晶→树枝晶。合金化涂层典型组织，如图4所示。图4合金化涂层典型组织六、激光表面合金化工艺方法激光表面合金化工艺的最大特点是仅在熔化区和很小的影响区内发生成分、组织和性能的变化，对基体的热效应可减少到最低限度，引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要，同时又不牺牲结构的整体特性。它的另一显著特点是所用的激光功率密度很高(约105W/cm2)。熔化深度由激光功率和照射时间来控制。在基体金属表面可形成0.01~2mm厚的合金层。由于冷却速度高，使偏析最小，并显著细化晶粒。在实际的研究和应用中，实现材料激光表面合金化的工艺方法可归纳为两类:一类是材料表面在受到激光照射并建立起熔池的同时，将合金元素(如Cr、Ni、Co等)或难熔硬质点(如碳化物、氮化物、氧化物等)粉末添加到其中，以实现表面的合金强化，这即是通常所谓的激光表面合金化；另一种主要是Al、Ti及其合金等软质材料，在激光照射条件下，将反应气体注入表面熔池，并通过反应在表面得到TiN、TiC、Ti(CN)等化合物，以达到提高表面层硬度的目的，这即所谓的激光气体合金化。从当前的发展上看，人们仍把重点放在前一类工艺的开发上，因此，本文的论述也主要针对于此种工艺而言。但无论上述哪类工艺方法，为达到预期的目的和实际生产的需要，在研究中普遍遵循如下的原则:1必须考虑到合金化元素或化合物与基体金属熔体间相互作用的特性，如可熔解性、形成化合物的可能性、浸润性、线膨胀系数及比容等；2必须考虑在合金化区形成的物相对合金化强化效果的影响，如硬度、耐磨性、耐蚀性及高温下的抗氧化行为等；3必须考虑表面合金层与基体间呈冶金结合的牢固性，以及合金层的脆性、抗压、抗弯曲等性能。遵循上述原则制定激光合金化工艺包括合金化成份的选配、合金粉末添加方式的制定及合金化层质量控制等三个主要方面。七、激光表面合金化应用前期的激光合金化工作偏重于工艺参数、组织和性能的研究。在激光合金化层中，存在表面不平整和出现裂纹及气孔的两个重要问题，对此许多研究者做了大量的工作，提出了解决办法。近期我国的激光合金化工作，有两项值得注意的进展。一项是清华大学把激光合金化技术应用到实际产品上；另一项是北京航空航天大学采用激光合金化工艺来强化新型高温结构材料—TiAl金属间化合物，提高其耐磨性。清华大学结合沙漠车用F8L413F八缸风冷柴油机研制陶瓷挺柱的科技攻关，在45钢凸轮轴上成功地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化新工艺。采用自行研制的TH22型共晶合金化涂料，在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理，使其硬度达到60~67HRC，合金化层深1.3~1.5mm；凸轮的其它部分进行激光快速熔凝处理，获得的硬度55HRC，硬化层深0.1~1.0mm。凸轮强化表面平整均匀，无气孔和裂纹，实现了合理连续的组织与硬度搭配，凸轮轴处理后无需校直。发动机经500h台阶试验和沙漠车上5个月使用考核，表明激光强化的凸轮具有优异的耐磨性和抗疲劳性能。目前激光表面合金化在模具中的应用虽然还不多，但随着它的优势的逐渐显现，在模具工业中的应用也越来越受到重视。张伟等在718塑料模具钢表面进行了超细碳化钨(WC)激光合金化的研究。与氮化相比，激光表面合金化层的厚度比氮化大得多，平均硬度比氮化层高，晶粒更细，与基体的结合更牢。718钢是目前使用很普遍的塑料模具钢，张伟等人的研究结果对于把激光表面合金化技术应用于718塑料模具钢以提高模具使用寿命具有重要的意义。北京机床研究所张魁武等人，用复合合金粉末激光合金化处理的45钢基无心磨床托板，在生产车间使用，比原来CrWMn钢淬火的托板寿命提高3～4倍。重庆大学、北京工业大学等单位采用激光表面合金化工艺，用于电地冲棒、无缝钢管穿孔顶头及泥浆泵叶轮等零件的处理，都取得了很好的效果。北京机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、螺母攻丝机料道、轴承扩孔模、冲材模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究，都取得了很好的效果。拨叉，料道使用寿命提高10倍以上。冲材模、排粉机叶片使用寿命提高2～3倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽强化，经装车试验，运行14.2万km以后拆检结果，头道环槽的侧隙仅为0.11mm，如果减去0.04～0.05mm的原始侧隙，则环槽最大磨损量仅有0.07mm。所以激光表面合金化用于铝合金的强化是十分有效的。八、激光表面合金化发展方向1964年F.E.Cumningham首先利用红宝石激光器开发了激光表面合金化技术，随着激光器件性能的提高和大功率激光器的出现，激光合金化技术得到了很大发展，逐渐达到了工业化应用的水平。特别是近几年来，许多国家和地区加大了对激光表面合金化研究的力度，该技术具有十分广阔的应用前景。激光合金化作为目前最具发展潜力和竞争力的先进表面改进技术之一，已初步显示出了其优越性，并日益受到重视。但激光合金化工艺在开发应用过程中也存在着一些不足，未来加强激光合金化研究的重点应放在以下几个方面：(1)加强激光合金化基础理论研究。当前研究多限于工艺技术研究，而对于激光合金化基础理论研究相对较少。例如加大数值模拟力度，不仅可以节约能源，减少开支，还可为实际试验提供数据参考。(2)激光合金化涂层质量控制。激光合金化质量是评定实验成败的重要标志，因此加强表面质量控制，开发出理想的合金化涂层，如耐磨、耐腐蚀、耐腐蚀磨损等特殊性能的合金化涂层，才能进一步推动激光合金化技术的推广，发挥更大的作用。(3)加大激光器研制力度。当前激光器功率相对较低，且价格昂贵、设备笨重、体积大、灵活性差，多限于实验室研究。因此加大激光器研制力度，生产智能、灵活、价格便宜的激光器，才能够使大规模激光合金化的工业化成为可能，从而使激光合金化技术更好的服务社会，创造更大的经济效益。(4)进一步拓宽激光合金化的应用领域，如尝试进行镁合金激光合金化、有机物的激光合金化研究等。九、参考文献郭丽环.材料表面的激光合金化[J].大连大学学