浅析激光表面合金化技术的应用及发展方向

王斌修 田新国

（青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266033）

激光表面合金化是20世纪80年代发展起来的一种通过改变材料表面成分来实现材料表面改性的新技术，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，在高能量激光束的照射下，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。这个过程可使合金元素在凝固后的组织达到很高的过饱和度，还能在合金元素消耗量很小的情况下获得具有特殊性能的表面合金，而且合金层与基体之间冶金结合良好［1－2］。通过对一些价格便宜、表面性能不够优越的材料进行激光表面合金化，可以在材料表面形成新的非平衡微观组织，提高材料的耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀和耐高温抗氧化等性能，取代昂贵的整体合金，从而大幅度降低生产成本［3］。目前，激光表面合金化技术在各类铸铁、普通碳钢、合金钢和不锈钢等铁基材料，以及镁合金、铝合金和钛合金等有色金属中获得了大量的应用，此外，半导体与金属薄膜的合金化也是一个重要的应用领域。

1 激光表面合金化的特点及合金层性能

1.1 激光表面合金化的特点

激光表面合金化可以使廉价普通材料的表层得到任意成分的合金和相应的微观组织，从而获得良好的物理、化学及综合力学性能，合金层组织均匀、致密，与基体间结合强度高。激光表面合金化具有冷却速度快、工作效率高、清洁无污染以及易于实现自动化等优点，与感应加热淬火、电弧表面硬化和等离子喷涂等表面处理技术相比，具有下列优越性［4－5］:

（1）只是熔化区和很小的热影响区的成分、组织和性能发生了变化，对基体的热效应降低到最低限度，引起的变形很小，满足材料表面的使用需求，又不会牺牲结构的整体性能。

（2）激光的能量高度集中，可以通过空气、光纤等进行远距离传播，并能精确控制加热速度和功率密度，几乎不会造成变形和开裂，往往不需要校直。

（3）合金化过程中合金元素的使用量少，利用率高，使廉价合金获得了更广泛的应用，而且合金层成分均匀，组织结构细密，与基体间的结合强度很高。

（4）利用激光的深聚焦可以在不规则的零件上得到均匀的合金化深度，还能使局部的和难以接近的区域合金化。

1.2 激光表面合金化层的性能

通过研究发现，合金层与基体材料呈良好的冶金结合，通过调整添加材料的成分、激光束模式、激光功率和扫描速度等工艺参数，控制合金成分及合金层的组织结构，提高廉价材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀等性能。

（1）通过激光表面合金化提高材料表面的硬度

激光表面合金化过程中，材料的迅速熔化和凝固使得合金层成分均匀，形成细微化组织，在添加C、N和Ni等合金元素或WC、SiC和TiC等合金化合物后，获得均匀分布的碳化物、氮化物和硼化物等硬质相，使基体材料表面的合金层硬度显著提高。蔡珣等［6］采用10 kW的连续横流CO2激光器在铸造Al－Si合金表面制备镍合金化层，得到由 α－Al、Al3Ni2、Ni3Al等 Al/Ni相及少量Si相组成的合金层，经测试其表面合金层硬度比基体材料提高了2倍以上。

（2）通过激光表面合金化提高材料表面的耐磨性

材料经激光表面合金化处理后，表面合金层中合金元素在马氏体、奥氏体和铁素体中大量存在，起到固溶强化作用;合金层中弥散分布的碳化物、氮化物和硼化物等硬质相也起到一等的强化作用;另外在快速加热及冷却过程中，合金层中残余奥氏体富集了碳和合金元素，再加上相变造成的变形和快速冷却产生的内应力，使得残余奥氏体内具有相当高的位错密度，起到组织硬化的作用。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］分别采用碳粉、TiN和TiC等对Ti－48Al－2Cr－2Nb金属间化合物进行激光表面合金化处理，干滑动及磨料磨损实验证明，Ti－48Al－2Cr－2Nb合金化后表面显微硬度和耐磨性得到显著提高，而且合金层中硬质相与其耐磨性存在一定的关系，硬质相的体积分数越大，合金层的耐磨性越高，同时 Ti－48Al－2Cr－2Nb 金属间化合物合金化后对SiC纤维刷高速滑动二体磨料磨损的耐磨性同样得到很大的提高［7］。

（3）通过激光表面合金化提高材料表面的耐腐蚀性能

普通材料中添加 Cr、Ni、Mo等合金元素及 WC、TiC等合金化合物后进行激光表面合金化，可以显著改善材料的耐腐蚀性能。Lo K H等［8］对AISI316L不锈钢进行激光表面WC合金化，采用合理的工艺参数得到硬度高、脆性小的合金层，合金化过程中WC分解使得W在熔体中的固溶度提高及枝晶碳化物析出，有效提高了其抗空蚀性能。经测试，除草机刀片表面合金层在3.5%NaCl溶液中的抗空蚀性能是未合金化处理刀片的30倍。

（4）通过激光表面合金化提高材料表面的高温性能

材料中添加Co、Cr、Mo等元素并经激光表面合金化处理，可明显提高材料表面合金层的耐高温性能和抗热疲劳性能。曹鹏军等［9］采用2 kW CO2激光器对20Cr2Ni4W钢进行激光表面Co合金化，激光表面合金化后得到含Co均匀的表面合金层，其高温硬度和抗热疲劳性能均有提高。温度为700℃、Co含量为8.08%时，20Cr2Ni4W钢表面合金层的高温硬度为97.4 HV，与其激光表面合金化处理前高温硬度相比提高了36 HV，而且经合金化处理后材料的抗热疲劳性能提高了一倍以上。

2 激光表面合金化技术的国内外研究与应用

从20世纪80年代开始，随着大功率激光器的开发和激光器件性能的不断完善，激光表面合金化技术逐渐成为激光加工领域的研究热点之一，获得了迅猛的发展。在这一时期，各国对激光表面合金化技术进行了大量的研究，并在铸铁材料、弹簧钢和不锈钢等钢铁材料以及镁和铝等有色金属材料领域取得了一系列的研究成果。

孙荣敏等［10］对低镍铬无限冷铸铁轧辊进行激光表面陶瓷合金化处理，处理后的轧辊表面晶粒细化、位错密度增加、组织均匀致密，消除了组织中未处理前存在的偏析、微裂纹、气孔和夹杂等缺陷，再加上过饱和合金的固溶强化及组织细化作用，使得轧辊在合金化处理后具有很高的红硬性和热稳定性，大幅度提高其抗高温磨损性能。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100 MPa左右，并在沿用原生产工艺的情况下使材料减重约25%。赖海鸣等［11］对2Cr13低碳马氏体不锈钢汽轮机叶片进行激光表面合金化，通过添加的合金元素的作用，在叶片表面形成弥散分布的硬质相及各种化合物，而且合金层晶粒明显细化，与合金化处理前的汽轮机叶片相比，其抗气蚀性能提高一倍以上，表面平均硬度达到701.2 HV，提高了3倍左右。Galun R等［12］采用铜、硅和镍等合金元素对镁合金激光表面合金化进行研究，合金化涂层厚度为700～1 200 μm，合金层中合金化元素的含量达15% ～55%，表面硬度达到250 HV，复合加入铜合金时，抗腐蚀性能有较大改善。Dobrzanski等［13］采用粒度为 5 μm 的 TiC 和 WC粉末作为添加材料对镁合金进行激光表面合金化，在实验中TiC和WC颗粒均可以在表面熔入镁合金的Mg、Al基底，物相分析表明，表面合金层主要由 α－Mg、Mg17Al12、TiC和WC组成。美国通用汽车公司则在发动机铝制气门座上进行激光合金化，处理后其变形量≤0.3 mm，硬度大于55 HRC，在540℃条件下2 h内没有明显的软化现象。

3 激光表面合金化技术中存在的问题及发展方向

激光表面合金化技术作为目前最具发展潜力和竞争力的先进表面改性技术之一，日益受到各国的重视，特别是近几年来，许多国家和地区都加大了对激光表面合金化技术的研究力度，经过国内外学者和研究机构多年的不懈努力，激光表面合金化技术在石油、化工、冶金、汽车和电力等领域获得了较为广泛的应用。但是，要使激光表面合金化技术实现大规模的工业化应用，还需要对以下几个方面进行进一步研究。

（1）进一步加强激光表面合金化理论的研究

当前研究多限于加工工艺，而对激光表面合金化理论的研究相对较少，尤其是涉及合金化过程中快速凝固方面的理论还不够完善，在组织变化规律及组织性能控制等方面还没有完善的理论作指导。

（2）控制合金层微裂纹及表面不平整度，提高零件激光表面合金化的质量

目前激光表面合金层中合金元素含量的控制不精确，易出现裂纹及波纹状表面，合金层内及与基体界面处形成孔洞等缺陷的问题没有得到很好的解决，而激光合金化质量是评定实验成败的重要标志，所以加强研究合金化过程中熔池的传热及材料的热物性变化，建立准确的合金化模型，对材料表面合金化过程进行数值模拟成为未来发展趋势之一。

（3）加强大功率激光器及配套加工设备的研究

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。受到当前激光器功率相对较低的制约，大面积的合金化都采用多道搭接扫描，合金化过程中的二次加热效应造成搭接区具有形态复杂的特殊组织特征，在整体上表现为一种宏观的周期性出现的组织状态，造成合金化处理后性能的周期性变化，虽然耐磨件对组织与性能的这种周期性变化不太敏感，但耐蚀、耐热和抗疲劳件却对此十分敏感，极易在搭接处造成零件早期失效［4］。想要大力发展激光表面合金化技术，实现其大规模工业化应用，研制大功率激光器及配套设备就成为一个亟待解决的关键问题。

（4）建立激光表面合金化数值模拟系统

根据材料合金化后对表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性及高温性能的要求，结合材料特性、合金化元素的供给方式、有无辅助气体及种类等信息，得出激光功率、焦点位置、扫描速度及光斑直径等加工工艺参数，以对材料进行高精度、高质量的激光表面合金化处理。

（5）进一步拓宽激光表面合金化技术的应用领域，如对半导体、有机物及金属薄膜等进行激光合金化研究。

4 结语

激光表面合金化作为一种材料表面改性技术，明显的性能优势及巨大的发展潜力将使其在众多表面改性技术中占据越来越重要的地位。随着经济建设的发展和科学技术的进步，尤其是大功率激光技术、测控技术及材料加工等技术的进步，激光表面合金化将向着大功率、自动化和智能化的方向迈进，并得到更深入的发展和更大规模的工业应用。

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