激光表面改性技术及其应用

材料表面技术1激光表面改性技术及其应用综述李德耀（北京理工大学材料学院，北京100081）摘要：激光表面改性技术是一种独特而有效的表面处理技术，在工业生产中应用广泛。本文简单介绍了激光表面改性的特点，特别是激光表面淬火、激光表面溶凝、激光合金化和激光熔覆技术的特点和应用，最后指出了激光表面改性技术存在的问题和发展前景。关键词：激光表面改性技术；激光表面淬火；激光表面溶凝；激光合金化；激光熔覆技；应用TechnologyofLaserSurfacingModificationandIt’sApplicationareReviewLiDeyao(DepartmentofMaterials,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081)Abstract:Lasersurfacemodificationisaspecialandeffectivewayofmaterialsurfacetreatment,whichiswidespreaduseinindustrialproduction.Thispapergivesacompendiumoftheresearchandthedevelopmentsituationoflasersurfacemodification,inparticular,itfocusesonseveralaspectsofthefollowing:lasersurfacehardening,laserfusingtogether,lasersurfacealloyingandlasercladding,anditsrecentdevelopmentstatusarealsodiscussed.Atlast,thepaperdescribestheexistingproblemsanddevelopmentprospectoflasersurfacemodification.Keywords:lasersurfacemodification;lasercladding;laserfusingtogether;lasersurfacealloying;lasercladding;application材料表面技术21引言材料表面处理的方法有很多，应用激光对材料表面实施处理则是一门新兴的技术。激光表面改性的研究始于20世纪60年代，但是直到20世纪70年代，随着大功率CO2激光器的出现，激光表面改性技术才开始大量应用在汽车、电力、机械等行业。激光表面改性技术主要有：激光表面淬火、激光表面快速溶凝、激光表面合金化和激光熔覆等，本文针对各种激光表面改性技术的特点和应用做了探讨。2激光表面改性技术原理及特点激光表面改性技术是利用高能量密度的激光使金属材料表面在瞬间(毫秒甚至徽秒级)被加热或熔化后高速冷却(可达104~108K/s)，从而使材料表面的化学成分、组织结构发生改变[1]。激光表面改性技术与激光工程的发展密切相关。激光是一种相位一致、波长一定，方向性极强的电磁波，可以通过聚焦来获得极高的功率密度（104~109W/cm2）。激光表面改性中应用的激光类型主要有3种:CO2激光(λ=10.6μm)，Nd:YAG激光(λ=1.06μm)和准分子激光。其它类型的激光还有铜蒸汽激光，红宝石激光，氩离子激光等[2]。美国通用汽车公司自1974年首次将CO2激光器用于激光淬火以来，先后建立了17条激光热处理生产线，每日可处理零件3万件。该公司对易磨损的汽车转向器齿轮内表面用激光处理出五条耐磨带，克服了磨损问题，且基本无变形。此后德国、日本、意大利等国的汽车公司纷纷引入激光表面改性技术，并获得了很高的经济效益。通过激光表面改性的处理，可以使材料表面性质发生变化，提高材料表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能，进而满足工业生产的各种需求。相比于其他表面处理工艺，它具有以下显著优势：（1）激光束功率密度高，材料加热和自冷却速度极快，激光硬化处理后的工件表面硬度比常规淬火高5%~20%，耐磨性提高1~10倍。（2）依靠材料本身传到实现自冷却，无需冷却介质，工作效率高，有利于自动化生产。（3）可处理零件的特定部位及其他方法难以处理的部位，对表面轮廓复杂的零件，可进行灵活的局部强化。材料表面技术3（4）材料变形量小，热影响区窄，几乎不影响周围基体的组织。虽然激光表面改性技术有着明显的优越性，但是相关设备投入高，需要专业人操作，且处理局限于材料表面，对芯部的性能无法改变，这些缺点也制约了激光表面改性技术的发展。图2-1CO2激光器基本结构（a）和汽车转向器（b）3几种常见的表面改性技术3.1激光表面淬火激光表面淬火是利用激光以105~106oC/s的加热速度作用在金属表面上，使其温度迅速上升至相变点以上，并通过基体的热传导，以105oC/s的冷却速度实现自冷淬火，又称为激光相变硬化[3]。由于加热速度快和冷却时间短，工件表层达到奥氏体化的深度较浅（淬硬层厚度一般小于1mm）[4]。所以得到的硬化组织较细，硬度比常规淬火工艺高5%~20%。激光表面淬火和常规表面淬火工艺对比见表3-1[5]：（a）（b）材料表面技术4表3-1激光表面淬火与其他表面淬火的比较激光表面淬火和普通淬火所得金相组织相同，都是马氏体、碳化物和残余奥氏体。但是激光表面淬火加热和冷却的速度极快，致使所得到的晶粒非常细小，且金相排列不规则，金属内部位错密度高，固溶含碳量高，从而使得材料表面的硬度和耐磨性都有很大提升。激光功率、光束能力分布状态和光斑尺寸是激光表面淬火的3个主要参数[6]，直接决定了激光扫描下工件内部的温度场分布形态，从而对相变硬化层尺寸，分布形态及表面硬度产生重要影响。激光表面淬火的应用非常广泛，1974年，美国通用汽车公司首先采用该技术对汽车转向器齿轮没表面进行处理，克服了磨损问题。德国MANB&W公司对40/50和L58/64型船用柴油机气缸套眉笔进行激光淬火，日本对45钢、铬钼钢、铸铁等材料进行激光淬火；我国天津渤海无线电厂、青岛激光技工中心也采用激光表面淬火的技术，经济效益显著；此外激光表面淬火还广泛应用在非调质钢表面处理，冶金机械设备、模具制造等众多领域[2][4][6][7]。3.2激光表面快速溶凝又称激光表面晶粒细化，是使用适当参数的激光辐照金属材料的表面，使其表层快速熔融和冷凝，得到极细或超细化组织结构的熔凝层，其熔凝层晶粒细化，成分均匀化[8]。由于激光加热速度快，相变驱动力大，奥氏体形核数材料表面技术5目多，临界半径小，因而冷却后溶凝层中形成的烛台组织非常细密，能使性能得到改善，可以增强材料表面的耐磨性和腐蚀性[7]。图3-1激光表面快速溶凝示意图与激光表淬火相比较，激光溶凝处理产生的熔池存在传热、传质等动力学现象要复杂得多，这些都关系到融化区形状、温度分布、化学成分均匀性、气孔、裂纹等缺陷的形成，所以一直受到国内学者的重视。适宜进行激光溶凝处理的材料主要有铸铁、工具钢和不锈钢、铝合金等，其中铸铁是最理想的材料，据报道，白口铸铁、灰铸铁耐磨性可提高6~7倍[9]。此项技术也次在灰铸铁凸轮表面强化中得到应用，凸轮表面获得的熔层厚为0.2mm，硬化层后0.7mm，宽3.4—3.6mm，表面硬度为895HV，耐磨性也很高[7]。德国大众公司用该技术取代了先前的钨极氩弧重熔工艺[2]。国外对Al8Fe(Al含量为1%)合金进行激光凝熔处理后的熔区枝晶进行微观计算模拟机测量，得出了直径细胞头部半径与凝固速度的关系式和凝固速度对直径分布的影响规律，经过分析，发现激光熔池中枝晶组织生长方向强烈地受基材晶粒取向和激光束扫描方向的影响[10]。3.3激光表面合金化激光表面合金化是20世纪80年代发展起来的一种表面改性技术，具有十分广泛的应用前景。它是将合金元素或化合物直接或间接结合到基体材料的表面，在高能光束的照射下，合金元素或化合物快速、均匀地分散并熔渗在熔池中，在液化层的扩散作用和表面张力效应等物理现象的影响下，熔化层在很短时间内形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层[11]，示意图如图3-2[12]。材料表面技术6熔化层在凝固时获得的冷却速度可达105~108oC/s，相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度，快速熔化非平衡过程可以使合金元素在凝固后的组织达到很高的饱和度，从而形成普通合金化方法很难得到的化合物、介稳相及新相，还能在合金化元素消耗量很低的情况下获得具有特殊性能的表面合金[13]。图3-2激光表面合金化示意图激光表面合金化与普通电弧表面硬化和等离子喷涂相比，具有明显优越性：（1）合金元素完全溶于表层内，所得薄层成分是均匀的，对开裂及剥落等倾向不敏感。（2）所用激光功率密度高（104~108W/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深度为0.01~2mm的合金层。（3）可准确地控制激光功率密度与加热速度，从而变形小，可省去校直和打磨加工等后续工序。基于以上优点，激光合金化在工业生产中应用广泛。美国有两家飞机制造企业采用这种技术，对喷气机涡轮叶片外缘涂覆了钴基合金涂层，日本采用激光合金化技术在汽车用弹簧钢SAE9260的基础上添加Nb，利用其细化晶粒和沉积强化的作用，提高弹簧的减振性，屈服强度提高100MPa左右，并在沿用原生产工艺的情况下使材料减重约25%[11]，北京航空航天大学利用预涂Si粉的方法，对Ti-6Al-4V合金进行激光表面合金化,成功制得了以高熔点高硬度金属间化合物Ti5Si3为增强相的新型金属基耐磨复合材料表面改性层[14]。3.4激光表面熔覆激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种重要的材料表面强化与加工技术，它是利用高能量密度激光束（104～106W/cm2）在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固（冷却速度通常达到102～106℃/s），在基材表面形材料表面技术7成与其为冶金结合的，具有特殊的物理、化学或力学性能的改性层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能[15]。它与激光表面合金化的区别在于：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,而激光表面熔敷是预敷层全部熔化而基层表面微熔,预敷层的成分基本不变,只是使基材结合处变得稀释[7]。图3-3激光熔覆工艺图（a）和激光熔覆处理金相组织示意图（b）激光表面熔覆根据合金供应方式的不同，可以分为两大类：预置法和同步送粉法[16]。预置式涂层法是先将粉末与粘结剂混合后以某种方法预先均匀涂覆在基体表面,然后采用激光束对合金涂覆层表面进行照射,涂覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化,同时通过热量传递使基体表面熔化,熔化的合金快速凝固在基材表面,形成冶金结合的合金熔覆层。同步送粉法是通过送粉装置在激光熔覆的过程中将合金粉末直接送入激光作用区,在激光作用下基材和合金粉末同时熔化,结晶形成合金熔覆层。同其他表面强化技术相比,它具有以下特点:冷却速度快；热输入和畸变较小,涂层稀释率低(一般小于5%)；与基体呈冶金结合；能进行选区熔覆等。表3-2[5]列举了激光表面熔覆与其他常见表面修复技术的比较：（a）（b）材料表面技术8表3-2激光表面熔覆与其他常见表面修复技术的比较激光熔敷从20世纪70年代提出到20世纪80年代获得广泛应用，美国的汽车排气阀座用激光熔覆Stellite合金，俄罗斯利哈乔夫汽车厂的排气阀座激光熔覆耐热合金[17]。在国内，中国科学研究院腐蚀与防护研究所激光应用技术中心已成功将激光熔覆技术应用到航空发动机的叶片的耐磨和修复上南京航空航天大学在Q235钢表面激光熔覆稀土合金层提高其耐磨性[18]。4激光包面改性技术的应用前景激光表面改性技术是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械、电器、航空、兵器、汽车等制造行业，是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一。但是激光表面改性技术设备成本昂贵，与传统表面对焊和喷涂设备相比，成本较高，而且不同材质部件表面需要不同成分的粉末和不同的工艺参数，均需进行摸索研究，这也在一定程度上制约了该技术