激光熔凝技术的发展现状

刘春阁，邱星武

(1 四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川 德阳 618000)(2 四川建筑职业技术学院材料工程系，四川 德阳 618000)

激光熔凝硬化是激光热处理的一种，它是利用功率密度很高(105-107W·cm-2)的激光束在金属表面连续扫描，在极短的时间内与金属交互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属以106-108℃/s的速度冷却凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织机构的一种表面改性方法[1-2]。

激光熔凝硬化过程中既有温升又有熔化，在这个过程中需注意两个温度值：一个是材料的熔点，材料表面的最高加热温度应高于材料本身的熔点；另一个是材料的奥氏体临界转变温度[3-4]。激光加热过程中的最高温度只有高于熔点时材料方可产生熔凝硬化的效果。材料表面的温度及温度梯度成为制定激光表面强化工艺方案和确定加工工艺参数的依据，激光辐射在金属材料表面，使金属内部的显微结构发生变化。温度梯度越大，越有利于引起材料中的原子迁移，结果在激光作用下，金属在一定层深范围内产生数个区域，各个区域的显微组织有所不同，深度、硬度、耐磨性、耐蚀性等性能也与温度梯度的分布有关。激光熔凝硬化处理和传统热处理相比，激光的加热和冷却均很快，因而具有特殊的热量流动形式，表现在冷却时的马氏体转变及加热时的奥氏体转变均与常规热处理过程有所不同。激光热处理效果与基体热影响区的受热方式和特点密切相关，所以可以通过实验得到适宜的激光加工参数(如扫描速度、离焦量、输出功率)，获得所需的硬化层[5]。熔凝硬化处理可以获得很多非平衡组织。包括过饱和固溶体、新的非平衡相和非晶相。最终组织为铸态胞状组织，硬度较高，耐磨性也较好。

1 激光熔凝硬化的特点

激光熔凝硬化技术与其他热处理技术(如渗碳、渗氮、高频淬火等传统工艺)相比，具有如下特点[6-8]：

1) 可以大幅度改变被处理材料表面的组织状态而不需外加材料，大大改善工件的性能。激光熔凝硬化过程中的急热急冷使硬化后马氏体晶粒极细、位错密度相对于常规淬火要高；

2) 激光硬化层和基体呈冶金结合。对于材料整体强度，耐磨性，变形性均有利；

3) 变形小。由于激光改性处理时功率密度很高，与材料或零件接触时间很短，所以热变形很小，可以作为零件及材料的最后处理工序；

4) 柔性加工，应用范围广。激光光斑直径较小，同时对大面积表面进行加工有困难，但可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理部分，从而方便处理内壁、内孔、盲孔、深孔和凹槽等局部区域。改性层厚度与激光硬化中工艺参数息息相关，因此可根据需要调整硬化层深浅，一般可达0.1-1mm；

5) 工艺简单优越。激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，无明显的机械力及切削刀具损耗，环保、绿色、劳动环境好。激光器配以微机控制系统，很容易实现自动化生产，易于批量生产。效率高，经济效益显著。

2 激光熔凝硬化工艺的影响因素

影响激光熔凝硬化工艺的因素可归纳为以下三类：激光器物理结构的影响、被处理材料表面状态的影响、激光硬化过程中加工参数的影响。

2.1 激光器物理结构的影响

激光器物理结构的影响主要包括激光束模式(基模、高斯模)、模式稳定性、振荡方式、光斑形状、光斑能量分布状态、波长、输出功率的稳定性、光束的发散角等[9-10]，上述参数决定于所选择的激光器。

2.2 被处理材料表面状态的影响

被处理材料表面状态的影响包括材料的种类、化学成分、几何尺寸、表面状态和原始组织等[11]。

金属材料的含碳量及合金元素对处理后的效果有着较为明显的影响。合金元素的含量对淬硬性没有显著的影响，但对钢的淬透深度的影响却很大，并对表层组织及硬度的均匀性起到一定的作用。

2.3 激光熔凝硬化过程中加工参数的影响

激光熔凝硬化工艺参数主要是激光器输出功率、扫描速度和作用在材料表面上的光斑尺寸大小[12]，三者的综合作用直接反映了硬化过程的温度及保温时间。

从激光硬化层强度与三个主要参数的关系可以看出各参数的作用。作用于被处理材料表面的激光功率密度(P/D)和激光扫描速度是影响激光硬化质量的决定因素。激光功率密度取决于激光器输出的激光作用于被处理材料表面的有效功率和光斑直径的大小，而光斑直径的大小与激光透镜焦点距离被处理材料表面的距离有关。因此在确定激光硬化加工工艺参数时，必须关注三个参数，即：激光功率、光斑直径和激光扫描速度。

除上述三个基本参数外，硬化带的扫描花样(图形)和硬化面积比例，以及硬化带的宽窄对零件激光硬化后的效果有一定的影响。

3 激光熔凝硬化表面形貌的控制

由于激光熔凝硬化技术的许多优点，使得许多工件不需要后续处理，因此要控制硬化时的表面形貌。表面形貌形成原因是熔凝区形成高的温度梯度，导致了表面形成高的应力场、应力梯度和熔体中的环流运动，熔体中的应力变化需要用表面的弯曲来补偿，因而形成表面凹陷。控制的方法主要是：

1) 选用最佳的熔凝参数和工艺方法。参数中影响最大的是功率密度，扫描速度应较低，使形成的环流涡流分解成许多细小环流[13]；

2) 加入专用的添加剂，以减小熔凝层流体的流动速度[14]。例如：在钢表面涂S(加S的熔体流动方向与加C的相反)，即表面能量吸收涂料中同时添加C和S。

4 激光熔凝硬化的应用和研究现状

激光技术自其诞生就被广泛用于凝固理论和技术的研究工作中[15]。激光表面熔凝处理作为一种可控性极强的凝固技术在凝固理论研究和材料的表面改性中发挥了重要的作用[16-18]。利用激光作为热源进行快速熔凝实验，能够在凝固速率很高时还保持很高的温度梯度。

目前，激光熔凝技术大部分还处于实验室阶段。国内外已经有用脉冲YAG固体激光对工具钢、高速钢、不锈钢等材料进行表面局部熔凝处理的实验报道。但仅局限于厚板 (t≥ 5mm )试样，而对于薄板试样的研究报道较少[19]。自1984年发现具有五次对称电子衍射图的二十面准晶相以来，准晶已成为凝聚态物理学研究的重点，近年来从理论模型、表述方法到实验室制取高质量的单晶，取得了一些成果[20]。随着激光表面强化技术的发展，该技术开始应用于轧辊的表面强化。热轧辊作为轧制生产的关键部件，工作时承受到较大的工作压力及冲击作用，而孔型表面直接和高温(>1000℃)轧材接触，承受着较大的磨损和热疲劳作用，因此要求轧辊整体要有较好的强韧性，其工作表面更要有较高的耐磨性和抗热疲劳性，采用激光熔凝强化技术可进行表面强化[21]处理。

激光熔凝技术还有很大的发展空间及研究价值，对金属材料、非金属材料进行表面处理可获得优异的性能，延长设备的使用寿命，可以预见，随着科学研究的不断创新及发展其应用也会日益广泛。

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