隨著航空航天、新能源、軌道交通等領(lǐng)域高端裝備的發(fā)展，對其使用部件的表面性能要求也逐漸提高，傳統(tǒng)的感應、噴涂、噴丸、滾壓等常規(guī)表面強化手段已很難勝任高性能設(shè)備的各種生產(chǎn)需求。而被現(xiàn)代工業(yè)譽為“萬能加工工具”以及“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”的激光技術(shù)，逐漸被用于改善金屬材料的表面性能和解決傳統(tǒng)改性技術(shù)不能解決的問題。激光表面改性技術(shù)作為一種表面工程普適性技術(shù)，面向中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重大需求，直接服務(wù)于重大裝備高端部件的性能提升和國產(chǎn)化制造。該技術(shù)的適用范圍和應用領(lǐng)域非常廣泛，包括礦山機械、石油化工、航空航天、能源動力、軌道交通、冶金、醫(yī)療器械、機床、發(fā)電、印刷、包裝、模具以及制藥等行業(yè)，具有巨大的應用前景。

● 激光表面改性技術(shù)的特點

激光表面改性技術(shù)能在成本較低的材料表面制備低價格高性能的表面涂層，對重要零件材料與性能的選擇匹配、設(shè)計和制造具有重要意義。激光表面改性技術(shù)是表面工程制造中極具應用潛力的制造技術(shù)，它利用激光的高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特性，通過改變金屬材料表面的組織結(jié)構(gòu)和化學組成等對材料表面進行改性或合金化，從而達到改善材料表面性能的目的。常見的激光表面改性技術(shù)有激光淬火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆及激光沖擊強化等。其中最具代表性的表面改性技術(shù)有激光淬火、激光熔覆及激光沖擊強化。

● 激光表面改性的技術(shù)需求及應用現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，中國平均每年都會由于關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件失效造成巨大的裝備故障損失（約占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的3%-5%）。其中，80%以上是因表面局部磨損、腐蝕等失效引起的，損失超過萬億元。因此，利用表面工程技術(shù)改善關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件表面使用性能對減少裝備故障損失具有重要意義。作為極具應用潛力的表面工程技術(shù)，激光表面改性技術(shù)已被逐漸用于金屬零部件的強化與修復上，在機械制造與維修、汽車制造、航空航天和石油化工等領(lǐng)域中得到廣泛應用。

激光淬火技術(shù)最為廣泛的應用是發(fā)動機零件的表面強化。激光淬火幾乎可以用于發(fā)動機的所有耐磨零件，如凸輪軸、曲軸、缸套、缸體缸孔、活塞環(huán)、活塞脹圈、排氣門和閥座、離合器片、汽門搖臂、連桿、齒輪、軸承座等零件，如圖1所示。美國的通用汽車公司在上世紀70年代就采用激光相變硬化處理汽車轉(zhuǎn)向裝置的內(nèi)壁，建立了第一條汽車動力轉(zhuǎn)向殼內(nèi)腔二氧化碳激光表面淬火生產(chǎn)線，并在之后建成17條生產(chǎn)線，零件日處理量達到3萬多件，可將其耐磨性提高近10倍。日本尼桑、德國大眾、意大利菲亞特等公司也逐漸建立了激光表面淬火生產(chǎn)線，通過激光表面改性提高汽車零部件的耐磨性。德國MAN B&W公司采用激光淬火增加40/54和L58/64型船用柴油機氣缸套內(nèi)壁的耐磨性。美國對軍用潛水艇、飛行器等的重載大齒輪進行激光表面淬火處理，極大避免了常規(guī)熱處理工藝易造成的大變形、高噪聲等問題的出現(xiàn)。

目前，國內(nèi)激光淬火技術(shù)的應用日益廣泛，已逐步用于汽車、航空航天、能源、石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，對各種軸體類、套筒類、齒輪類、葉片類零件，均取得了良好的強化效果，逐步取代原有的火焰淬火、感應淬火工藝。近年來，中國的新能源、高速鐵路取得了突飛猛進的發(fā)展，為中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時也出現(xiàn)了許多亟待攻克的技術(shù)難題，特別是軸承、鋼軌的損傷等。華中科大、武漢新瑞達等單位與鐵路系統(tǒng)合作，開展鋼軌激光淬火強化技術(shù)研究，實現(xiàn)了鋼軌型面檢查和輪廓智能識別，研發(fā)了國際上首臺鋼軌激光淬火強化工程車，通過了國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的性能考核。浙江工業(yè)大學等單位聯(lián)合開發(fā)了大型風電主軸軸承的激光淬火計劃，淬硬層深度達3 mm以上。

激光熔覆技術(shù)可以有效對易磨易損零部件新品進行表面強化，同時還可對已失效零部件進行尺寸恢復，并進一步提高其表面性能。自美國AVCO公司在上世紀70年代對汽車發(fā)動機的一些易磨損零部件通過激光熔覆來制備表面強化涂層后，激光熔覆技術(shù)在汽車、動力裝備、軌道等領(lǐng)域得到廣泛應用。日本尼桑公司運用激光增材再制造技術(shù)成功修復了鋁基發(fā)動機葉片。美國Optomec Design公司成功把激光增材再制造技術(shù)商用化，批量修復了T700海軍飛機發(fā)動機的磨損失效零件，節(jié)約了大量軍費并提高了修復效率。目前，中國激光熔覆技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已從實驗室進入實際工業(yè)應用中，在航空航天、動力裝備、機械工業(yè)、石油與汽車工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛應用。西北工業(yè)大學開展了鈦合金零件的激光修復工作，分析了再制造件的組織、拉伸力學性能以及低周疲勞性能，并采用合適的熱處理制度對修復零件進行了熱處理，成功修復了航空零部件。浙江工業(yè)大學針對不同材料、不同功率機組的汽輪機部件，將激光熔覆技術(shù)應用于汽輪機葉片的強化和汽輪機轉(zhuǎn)子的修復（見圖2），替代表面鍍鉻、火焰淬火、感應淬火等強化工藝和電弧堆焊修復，有效克服了傳統(tǒng)技術(shù)的污染、變形、斷裂及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，大幅度提高了汽輪機部件的使用壽命，該技術(shù)已在國內(nèi)汽輪機骨干企業(yè)成功應用了十余年，大幅降低了葉片、轉(zhuǎn)子的報廢率，提高了機組運行壽命，延長大修期，減少設(shè)備停運造成的損失，增加了機組的技術(shù)附加值和市場競爭力。華中科技大學在發(fā)動機排氣閥的閥門座表面采用激光熔覆技術(shù)熔覆NiCrBSi和CoCrW合金，得到了高性能的組織結(jié)構(gòu)，使得閥門座表面的耐磨性和耐蝕性提高到原來的3～4倍。

激光沖擊強化技術(shù)在航空航天、船舶、汽車、石油化工、裝備制造、核工業(yè)和高端模具等眾多機械制造領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。據(jù)統(tǒng)計，在航空航天和船舶領(lǐng)域，49%的噴氣發(fā)動機構(gòu)件損傷由疲勞失效造成，其中，葉片、機匣和傳動部件等是最易發(fā)生疲勞斷裂的零部件，如圖3所示。激光沖擊強化技術(shù)已成為改善發(fā)動機關(guān)鍵零部件疲勞壽命的必要手段。由美國空軍牽頭的“高周疲勞科學與技術(shù)研究”計劃已將激光沖擊強化技術(shù)列為第四代戰(zhàn)機發(fā)動機76項關(guān)鍵技術(shù)之一。到2009年，F(xiàn)22戰(zhàn)斗機上需要經(jīng)過激光沖擊強化處理的整體葉盤比例高達75%。

中國于20世紀90年代開始開展激光沖擊強化技術(shù)方面的研究和應用，至今已取得了顯著的成就。隨著激光器技術(shù)的進步和技術(shù)理論的不斷成熟，中國逐漸將激光沖擊強化技術(shù)應用到工程實踐中。2011年，沈陽自動化研究所成功開發(fā)了中國第一臺工業(yè)應用級整體葉盤激光沖擊強化系統(tǒng)，填補了中國在工業(yè)應用激光器制造方面的空白，也用于存在微小裂紋的鍛壓模具，激光沖擊強化處理后能夠有效控制模具中裂紋的擴展速率，對節(jié)約模具生產(chǎn)成本和縮短停機維修時間具有重要意義。西安天瑞達光電技術(shù)有限責任公司成功通過了GE公司葉片激光沖擊強化全球直接供應商認證，成為了全球第三個、美國本土外唯一的燃氣輪機葉片強化供應商，在新加坡ARTC(先進再制造技術(shù)中心)建成了激光沖擊強化加工線，全面開展激光沖擊強化服務(wù)于國際業(yè)務(wù)。此外，江蘇大學在激光沖擊強化理論方面也做了大量實驗研究，為激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展做出了重大貢獻，也是中國最早開展激光沖擊強化技術(shù)的先驅(qū)者之一。

● 激光表面改性技術(shù)的發(fā)展趨勢

◎激光表面改性專用材料技術(shù)

中國在上世紀90年代開始進行激光表面改性技術(shù)的研究，發(fā)展時間相對較短，相關(guān)基礎(chǔ)知識和理論研究不夠深入透徹。如在專用材料方面，目前市場上尚沒有適用于激光表面強化的專用合金材料，大部分仍然沿用熱噴涂粉末，而這些材料不適用于激光表面強化與再制造，由此帶來的氣孔、開裂難以避免。因此，需要深入研究基于遠平衡態(tài)的專用材料設(shè)計理論及科學的配比方法，建立各類專用材料體系，為激光表面強化與再制造技術(shù)的實施提供關(guān)鍵的基礎(chǔ)材料支撐。

◎激光復合表面改性技術(shù)

隨著高端裝備制造業(yè)對關(guān)鍵零部件表面性能要求的進一步提高，傳統(tǒng)單一激光作為熱源的表面改性技術(shù)發(fā)展遇到了瓶頸。為了能夠?qū)す獗砻娓男赃^程中的傳熱傳質(zhì)行為進行靈活地調(diào)控，多物理場協(xié)同作用的復合改性技術(shù)顯示出了其特有的優(yōu)勢。目前激光復合表面改性技術(shù)包括激光與超音速沉積、電-磁場、感應加熱、超聲振動、（電）化學的復合以及多層梯度復合改性技術(shù)。但是由于復合改性技術(shù)涉及到流場、溫度場、電磁場、動量場、化學反應等多物理場的耦合，因此有必要研究多物理場協(xié)同作用對激光表面改性非平衡過程的影響機理，建立復合場工藝、激光工藝和改性層性能之間的對應關(guān)系。

◎面向現(xiàn)場的大面積激光再制造技術(shù)

大型機械裝備往往由于運行過程中的局部區(qū)域磨損、腐蝕、疲勞損傷或加工制造過程中的超差而導致失效，嚴重的引起停機，帶來巨大的經(jīng)濟損失。部分可拆卸的零部件通過返廠維修或運送至專業(yè)維修點進行修復，造成人力、物力、財力的浪費，更主要的是耗時很長，嚴重影響生產(chǎn)效率。對體積龐大、不易拆卸的零部件，則只能尋求現(xiàn)場維修技術(shù)。對于那些不易拆卸的重大裝備關(guān)鍵部件，迫切需要一種方便靈活、高效高性能，能適應現(xiàn)場復雜工況的激光現(xiàn)場再制造技術(shù)。

◎激光表面改性裝備的國產(chǎn)化與智能化

目前中國科研院所和工業(yè)上用于高質(zhì)量激光表面改性的激光器大多為國外品牌。相較于國內(nèi)的產(chǎn)品，國外的激光器性能更佳、運行更穩(wěn)定。但國外激光器價格較高，而且一些核心部件受制于人。此外，國外進口產(chǎn)品的采購周期較長，往往對技術(shù)的發(fā)展和研發(fā)產(chǎn)生較大的影響。因此，后續(xù)需要通過自主研發(fā)，實現(xiàn)激光器成套裝備核心部件的國產(chǎn)化制造。國內(nèi)開發(fā)的大功率激光制造系統(tǒng)還需進一步集成化、智能化及信息化。重點通過光、機、電、材料、工藝、制造、控制、信息、網(wǎng)絡(luò)各學科的深度融合，連接上下游研究單位和企業(yè)進行協(xié)同攻關(guān)，實現(xiàn)對溫度、材料、尺寸位置及表面質(zhì)量的智能化控制，并建立激光表面改性專用材料庫及工藝數(shù)據(jù)庫，集成出系列化成套設(shè)備，實現(xiàn)激光表面改性裝備智能化生產(chǎn)。