王斌修 田新國

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島 266033）

激光表面合金化是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種通過改變材料表面成分來實(shí)現(xiàn)材料表面改性的新技術(shù)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。它是將合金元素或化合物直接或間接結(jié)合到基體材料的表面，在高能量激光束的照射下，合金元素或化合物快速、均勻地分散并熔滲在熔池中，在液化層的擴(kuò)散作用和表面張力效應(yīng)等物理現(xiàn)象的影響下，熔化層在很短時(shí)間內(nèi)形成具有要求深度和化學(xué)成分的表面合金化層。這個(gè)過程可使合金元素在凝固后的組織達(dá)到很高的過飽和度，還能在合金元素消耗量很小的情況下獲得具有特殊性能的表面合金，而且合金層與基體之間冶金結(jié)合良好［1－2］。通過對(duì)一些價(jià)格便宜、表面性能不夠優(yōu)越的材料進(jìn)行激光表面合金化，可以在材料表面形成新的非平衡微觀組織，提高材料的耐磨損、耐疲勞、耐腐蝕和耐高溫抗氧化等性能，取代昂貴的整體合金，從而大幅度降低生產(chǎn)成本［3］。目前，激光表面合金化技術(shù)在各類鑄鐵、普通碳鋼、合金鋼和不銹鋼等鐵基材料，以及鎂合金、鋁合金和鈦合金等有色金屬中獲得了大量的應(yīng)用，此外，半導(dǎo)體與金屬薄膜的合金化也是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 激光表面合金化的特點(diǎn)及合金層性能

1.1 激光表面合金化的特點(diǎn)

激光表面合金化可以使廉價(jià)普通材料的表層得到任意成分的合金和相應(yīng)的微觀組織，從而獲得良好的物理、化學(xué)及綜合力學(xué)性能，合金層組織均勻、致密，與基體間結(jié)合強(qiáng)度高。激光表面合金化具有冷卻速度快、工作效率高、清潔無污染以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，與感應(yīng)加熱淬火、電弧表面硬化和等離子噴涂等表面處理技術(shù)相比，具有下列優(yōu)越性［4－5］:

（1）只是熔化區(qū)和很小的熱影響區(qū)的成分、組織和性能發(fā)生了變化，對(duì)基體的熱效應(yīng)降低到最低限度，引起的變形很小，滿足材料表面的使用需求，又不會(huì)犧牲結(jié)構(gòu)的整體性能。

（2）激光的能量高度集中，可以通過空氣、光纖等進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，并能精確控制加熱速度和功率密度，幾乎不會(huì)造成變形和開裂，往往不需要校直。

（3）合金化過程中合金元素的使用量少，利用率高，使廉價(jià)合金獲得了更廣泛的應(yīng)用，而且合金層成分均勻，組織結(jié)構(gòu)細(xì)密，與基體間的結(jié)合強(qiáng)度很高。

（4）利用激光的深聚焦可以在不規(guī)則的零件上得到均勻的合金化深度，還能使局部的和難以接近的區(qū)域合金化。

1.2 激光表面合金化層的性能

通過研究發(fā)現(xiàn)，合金層與基體材料呈良好的冶金結(jié)合，通過調(diào)整添加材料的成分、激光束模式、激光功率和掃描速度等工藝參數(shù)，控制合金成分及合金層的組織結(jié)構(gòu)，提高廉價(jià)材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕等性能。

（1）通過激光表面合金化提高材料表面的硬度

激光表面合金化過程中，材料的迅速熔化和凝固使得合金層成分均勻，形成細(xì)微化組織，在添加C、N和Ni等合金元素或WC、SiC和TiC等合金化合物后，獲得均勻分布的碳化物、氮化物和硼化物等硬質(zhì)相，使基體材料表面的合金層硬度顯著提高。蔡珣等［6］采用10 kW的連續(xù)橫流CO2激光器在鑄造Al－Si合金表面制備鎳合金化層，得到由 α－Al、Al3Ni2、Ni3Al等 Al/Ni相及少量Si相組成的合金層，經(jīng)測(cè)試其表面合金層硬度比基體材料提高了2倍以上。

（2）通過激光表面合金化提高材料表面的耐磨性

材料經(jīng)激光表面合金化處理后，表面合金層中合金元素在馬氏體、奧氏體和鐵素體中大量存在，起到固溶強(qiáng)化作用;合金層中彌散分布的碳化物、氮化物和硼化物等硬質(zhì)相也起到一等的強(qiáng)化作用;另外在快速加熱及冷卻過程中，合金層中殘余奧氏體富集了碳和合金元素，再加上相變?cè)斐傻淖冃魏涂焖倮鋮s產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使得殘余奧氏體內(nèi)具有相當(dāng)高的位錯(cuò)密度，起到組織硬化的作用。以上3方面能有效提高材料激光表面合金化后的耐磨性［2］。于利根等［7］分別采用碳粉、TiN和TiC等對(duì)Ti－48Al－2Cr－2Nb金屬間化合物進(jìn)行激光表面合金化處理，干滑動(dòng)及磨料磨損實(shí)驗(yàn)證明，Ti－48Al－2Cr－2Nb合金化后表面顯微硬度和耐磨性得到顯著提高，而且合金層中硬質(zhì)相與其耐磨性存在一定的關(guān)系，硬質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)越大，合金層的耐磨性越高，同時(shí) Ti－48Al－2Cr－2Nb 金屬間化合物合金化后對(duì)SiC纖維刷高速滑動(dòng)二體磨料磨損的耐磨性同樣得到很大的提高［7］。

（3）通過激光表面合金化提高材料表面的耐腐蝕性能

普通材料中添加 Cr、Ni、Mo等合金元素及 WC、TiC等合金化合物后進(jìn)行激光表面合金化，可以顯著改善材料的耐腐蝕性能。Lo K H等［8］對(duì)AISI316L不銹鋼進(jìn)行激光表面WC合金化，采用合理的工藝參數(shù)得到硬度高、脆性小的合金層，合金化過程中WC分解使得W在熔體中的固溶度提高及枝晶碳化物析出，有效提高了其抗空蝕性能。經(jīng)測(cè)試，除草機(jī)刀片表面合金層在3.5%NaCl溶液中的抗空蝕性能是未合金化處理刀片的30倍。

（4）通過激光表面合金化提高材料表面的高溫性能

材料中添加Co、Cr、Mo等元素并經(jīng)激光表面合金化處理，可明顯提高材料表面合金層的耐高溫性能和抗熱疲勞性能。曹鵬軍等［9］采用2 kW CO2激光器對(duì)20Cr2Ni4W鋼進(jìn)行激光表面Co合金化，激光表面合金化后得到含Co均勻的表面合金層，其高溫硬度和抗熱疲勞性能均有提高。溫度為700℃、Co含量為8.08%時(shí)，20Cr2Ni4W鋼表面合金層的高溫硬度為97.4 HV，與其激光表面合金化處理前高溫硬度相比提高了36 HV，而且經(jīng)合金化處理后材料的抗熱疲勞性能提高了一倍以上。

2 激光表面合金化技術(shù)的國內(nèi)外研究與應(yīng)用

從20世紀(jì)80年代開始，隨著大功率激光器的開發(fā)和激光器件性能的不斷完善，激光表面合金化技術(shù)逐漸成為激光加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，獲得了迅猛的發(fā)展。在這一時(shí)期，各國對(duì)激光表面合金化技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并在鑄鐵材料、彈簧鋼和不銹鋼等鋼鐵材料以及鎂和鋁等有色金屬材料領(lǐng)域取得了一系列的研究成果。

孫榮敏等［10］對(duì)低鎳鉻無限冷鑄鐵軋輥進(jìn)行激光表面陶瓷合金化處理，處理后的軋輥表面晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度增加、組織均勻致密，消除了組織中未處理前存在的偏析、微裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，再加上過飽和合金的固溶強(qiáng)化及組織細(xì)化作用，使得軋輥在合金化處理后具有很高的紅硬性和熱穩(wěn)定性，大幅度提高其抗高溫磨損性能。日本采用激光合金化技術(shù)在汽車用彈簧鋼SAE9260的基礎(chǔ)上添加Nb，利用其細(xì)化晶粒和沉積強(qiáng)化的作用，提高彈簧的減振性，屈服強(qiáng)度提高100 MPa左右，并在沿用原生產(chǎn)工藝的情況下使材料減重約25%。賴海鳴等［11］對(duì)2Cr13低碳馬氏體不銹鋼汽輪機(jī)葉片進(jìn)行激光表面合金化，通過添加的合金元素的作用，在葉片表面形成彌散分布的硬質(zhì)相及各種化合物，而且合金層晶粒明顯細(xì)化，與合金化處理前的汽輪機(jī)葉片相比，其抗氣蝕性能提高一倍以上，表面平均硬度達(dá)到701.2 HV，提高了3倍左右。Galun R等［12］采用銅、硅和鎳等合金元素對(duì)鎂合金激光表面合金化進(jìn)行研究，合金化涂層厚度為700～1 200 μm，合金層中合金化元素的含量達(dá)15% ～55%，表面硬度達(dá)到250 HV，復(fù)合加入銅合金時(shí)，抗腐蝕性能有較大改善。Dobrzanski等［13］采用粒度為 5 μm 的 TiC 和 WC粉末作為添加材料對(duì)鎂合金進(jìn)行激光表面合金化，在實(shí)驗(yàn)中TiC和WC顆粒均可以在表面熔入鎂合金的Mg、Al基底，物相分析表明，表面合金層主要由 α－Mg、Mg17Al12、TiC和WC組成。美國通用汽車公司則在發(fā)動(dòng)機(jī)鋁制氣門座上進(jìn)行激光合金化，處理后其變形量≤0.3 mm，硬度大于55 HRC，在540℃條件下2 h內(nèi)沒有明顯的軟化現(xiàn)象。

3 激光表面合金化技術(shù)中存在的問題及發(fā)展方向

激光表面合金化技術(shù)作為目前最具發(fā)展?jié)摿透?jìng)爭(zhēng)力的先進(jìn)表面改性技術(shù)之一，日益受到各國的重視，特別是近幾年來，許多國家和地區(qū)都加大了對(duì)激光表面合金化技術(shù)的研究力度，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)多年的不懈努力，激光表面合金化技術(shù)在石油、化工、冶金、汽車和電力等領(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用。但是，要使激光表面合金化技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，還需要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

（1）進(jìn)一步加強(qiáng)激光表面合金化理論的研究

當(dāng)前研究多限于加工工藝，而對(duì)激光表面合金化理論的研究相對(duì)較少，尤其是涉及合金化過程中快速凝固方面的理論還不夠完善，在組織變化規(guī)律及組織性能控制等方面還沒有完善的理論作指導(dǎo)。

（2）控制合金層微裂紋及表面不平整度，提高零件激光表面合金化的質(zhì)量

目前激光表面合金層中合金元素含量的控制不精確，易出現(xiàn)裂紋及波紋狀表面，合金層內(nèi)及與基體界面處形成孔洞等缺陷的問題沒有得到很好的解決，而激光合金化質(zhì)量是評(píng)定實(shí)驗(yàn)成敗的重要標(biāo)志，所以加強(qiáng)研究合金化過程中熔池的傳熱及材料的熱物性變化，建立準(zhǔn)確的合金化模型，對(duì)材料表面合金化過程進(jìn)行數(shù)值模擬成為未來發(fā)展趨勢(shì)之一。

（3）加強(qiáng)大功率激光器及配套加工設(shè)備的研究

激光表面合金化所需的激光功率密度很高，需要大功率的激光器。受到當(dāng)前激光器功率相對(duì)較低的制約，大面積的合金化都采用多道搭接掃描，合金化過程中的二次加熱效應(yīng)造成搭接區(qū)具有形態(tài)復(fù)雜的特殊組織特征，在整體上表現(xiàn)為一種宏觀的周期性出現(xiàn)的組織狀態(tài)，造成合金化處理后性能的周期性變化，雖然耐磨件對(duì)組織與性能的這種周期性變化不太敏感，但耐蝕、耐熱和抗疲勞件卻對(duì)此十分敏感，極易在搭接處造成零件早期失效［4］。想要大力發(fā)展激光表面合金化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，研制大功率激光器及配套設(shè)備就成為一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

（4）建立激光表面合金化數(shù)值模擬系統(tǒng)

根據(jù)材料合金化后對(duì)表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性及高溫性能的要求，結(jié)合材料特性、合金化元素的供給方式、有無輔助氣體及種類等信息，得出激光功率、焦點(diǎn)位置、掃描速度及光斑直徑等加工工藝參數(shù)，以對(duì)材料進(jìn)行高精度、高質(zhì)量的激光表面合金化處理。

（5）進(jìn)一步拓寬激光表面合金化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，如對(duì)半導(dǎo)體、有機(jī)物及金屬薄膜等進(jìn)行激光合金化研究。

4 結(jié)語

激光表面合金化作為一種材料表面改性技術(shù)，明顯的性能優(yōu)勢(shì)及巨大的發(fā)展?jié)摿⑹蛊湓诒姸啾砻娓男约夹g(shù)中占據(jù)越來越重要的地位。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是大功率激光技術(shù)、測(cè)控技術(shù)及材料加工等技術(shù)的進(jìn)步，激光表面合金化將向著大功率、自動(dòng)化和智能化的方向邁進(jìn)，并得到更深入的發(fā)展和更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

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