表面改性技术的发展现状

崔佳鹏

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 绥化分院，黑龙江 绥化 152054)

0 引言

表面改性技术是指在保障基材材料化学组分基本保持不变或仅有较小改变的前提下，通过采用单一或复合技术手段以直接或间接的方式来提高零部件表面理化性能的一种技术。依据表面改性技术形成时间的先后，通常可以将其分类为传统表面改性技术和新型表面改性技术。

1 传统表面改性技术

1.1 热喷涂

热喷涂技术是采用高温热源先将待喷涂材料融化后，喷射于待喷涂零部件表面的一种表面涂层技术。热喷涂技术主要经历过三次重要变革：第一次，热喷涂工艺；第二次，热喷涂技术；第三次，热喷涂系体全过程[1]。目前，热喷涂技术是传统表面改性技术中较为成熟的技术方法之一，其具体工艺方法包括：电弧喷涂、火焰喷涂、超音速火焰喷涂和等离子喷涂等，等离子喷涂技术原理如图1所示。

图1 等离子喷涂技术原理图

1.2 气相沉积

气相沉积技术是通过在气相中发生各类理化反应，进而在零部件表面形成具有各类不同功能或不同装饰纹样的涂层，该涂层既可以是金属也可以是非金属。按其作用机理的不同，还可分类为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)[2]。

1.3 化学热处理

化学热处理是将零部件置于特殊的环境介质当中，并通过引入激活条件使得零部件与介质发生反应，形成具有特定性能的表面改性层从而达到强化零部件表层的目的[3]。采用化学热处理工艺强化的零部件，其表面通常会形成与内部化学组分和组织性能不同的强化层。目前，具有代表性的化学热处理技术是渗氮、渗碳。渗氮、渗碳是利用氮原子、碳原子在高温状态下具有较强活性的特点，使其原子渗入零部件表面的热化学处理方法。

零部件在经渗碳、渗氮处理后，其从外至内的碳元素与氮元素含量及微观分布均会发生显著性的变化，从而形成与原材料组织与性能存在差异的新材料。此外，渗剂用量、激活温度、保温时常等指标是渗氮、渗碳工艺的主要影响因素。

综上所述，传统表面改性技术虽然在过去的实践生产中取得了较好的成效，但随着先进制造业的不断发展和环评压力的不断增加，传统表面改性技术的固有短板也在不断显现，诸如热化学处理技术中的效率，热喷涂技术中的结合强度，以及气相沉积技术中的性状受限等问题都十分难以克服。因此，新型表面改性技术应运而生，即激光表面改性技术。

2 激光表面改性技术

2.1 激光表面改性技术原理及分类

激光表面改性技术是指利用激光发生器产生高能激光，再利用高能激光的辐射性，使基材材料表面发生相关理化变化，并通过对技术参数的调控来定向实现表面改性的一种先进工程技术[4]。该技术具有高效、可控、自动化处理零部件局部及整体的能力，且能够大幅度提高基材材料的使用性能，例如：耐磨性、耐蚀性和抗热疲劳等性能。此外，依据是否使用合金粉末及激光处理形式类别，激光表面改性技术还可分为激光熔覆、激光熔凝、激光合金化，以及激光表面淬火等。

2.2 激光表面改性研究现状

2.2.1 激光熔覆

激光熔覆技术具有合金粉末通用性强、结合强度高、变形量小和稀释率低等优点，因此该技术自问世以来便得到了较好的应用与发展。目前，依据熔覆合金粉末组分的不同，可以将激光熔覆技术大致分为Ni基熔覆、Co基熔覆和Fe基熔覆三大研究方向。Ni基熔覆层具有较好的耐磨损性、高温抗氧化性，主要应用在易磨损部件或长期在高温环境中运作的工件表面。Co基合金熔覆层具有良好的耐高温性能和较好的耐磨性能，可用于600～700 ℃高温下运作的工件表面。Fe基合金粉末价格相对较低，主要应用于局部易磨损和易变形的工件表面[5]，激光熔覆技术原理如图2所示。

图2 激光熔覆技术原理图

2.2.2 激光熔凝

激光熔凝技术作为目前激光表面改性技术的研究热点，熔凝组织的转变、熔凝层硬度及耐磨损性能是该项技术的主要研究内容。激光熔凝技术所使用的激光能量更高，在其冷却过程中，熔融层与基材底层间的温度梯度更大，因此所得到的强化层深度更深。徐子文[6]等针对20钢进行了激光熔凝模拟试验，运用仿真软件研究了其快速熔凝后的组织特性，得到了熔凝处理可以形成强错位化细粒度晶粒的强化机理。

2.2.3 激光合金化

随着激光技术的不断发展，大功率、高能效的激光发生设备也相继问世，这使得激光合金化技术成为了可能。目前，主流的高功率激光多以CO2气体作为介质，美国某兵工装备研发机构就曾采用Co基合金对军用大口径管状基材进行激光合金化处理，试验结果表明，与原基材材料相比采用激光合金化技术所形成的合金表面层，具有较好疲劳抗性，尤其在高温、高压工作环境下，性能提升效果更为显著[7]。

2.2.4 激光表面淬火

激光表面淬火可以实现细化晶粒尺度，提高表层材料硬度等效果，目前针对激光表面淬火的硬化机理和温度场分布情况是研究的热点内容。刘文今、宋武林等[8，9]以45钢和铸铁为基材，开展了激光表面淬火硬化过程机理研究。刘文今得出45钢表面淬火后试验样件硬度提高的原因，主要来自于激光表面淬火带来的晶粒进一步细化和晶粒缺陷增加；对铸铁而言，其内部的石墨具有吸能功效，可以对激光表面淬火引入的外部热能进行临时存储，并在后续冷却过程中进行释放，从而影响组织性能。宋武林等人对灰口铸铁进行了激光淬火处理，并进一步探究了铸铁中石墨碳饱和与固溶强化机理。

综上所述，激光表面改性技术具有生产适用范围大、过程自动化程度高、加工后零件形变量小和污染排放较低等特点，且随着国内制造行业的不断转型与发展，针对激光表面改性的技术革新和探索也在不断增加。

3 激光熔覆技术的工业应用

3.1 矿山机械

煤矿工作环境复杂且苛刻，环境中粉尘颗粒物、腐蚀性气体和水蒸气含量与常规作业环境均有较大差异，这些物质的存在都会在一定程度上对机械设备造成腐蚀和磨损，缩短设备使用寿命。运用激光熔覆技术可以对零部件易损部位进行表面强化或修复，提高零部件的耐磨损性和耐腐蚀性等。曹青等[10]在刮板运输机运输槽上采用激光熔覆技术制备出了35%Ni50+65%WC的高强度无裂纹熔覆层，并将其运用于实践生产，经测试采用激光熔覆进行表面强化后的运输槽，每10万t生煤运送量下，平均磨损量约为0.1 mm，表面强化效果显著，使用性能提升明显。

3.2 工业模具

模具是工业生产中较为常见的一种工具，模具种类繁多，主要包括铸造模具、锻压模具和冲压模具等。模具对使用精度要求较为严格，而长期使用下的模具难免会出现疲劳磨损、热裂纹和腐蚀等问题，将直接影响其使用性能，甚至造成无法使用和失效报废。而模具的更换成本通常较高，因此对模具进行表面修复，延长其使用寿命，具有较大现实意义和经济效益。刘建永等[11]对汽车车身覆盖件模具进行局部激光熔覆表面强化，首先以Fe40合金粉末制备缓冲打底层，然后用不同强度的GXN-65A合金粉末和 XY-27F-X40合金粉末，分别对应不同硬度需求的部位进行表面强化，最终形成优质无裂纹熔覆层，并很好地满足了不同部位对强度的差异要求。

3.3 其他行业

随着“中国制造2025”重大战略规划的提出，必将带动先进制造行业的快速发展，激光熔覆技术作为先进制造和绿色制造领域中的新兴技术，不仅可以应用于工程机械、冶金和船舶等传统制造行业，同时还可以应用于航空航天、增材制造和3D打印等高端制造领域，并且具有很好的发展前景和应用空间。例如，航空发动机叶片等关键热端工作部件，长期在高温、高压和腐蚀等工况下，较易出现裂纹和磨损等损伤现象，从而导致部件失效。使用激光熔覆技术可以为高温合金叶片等易损部件的修复和再利用提供新的可行途径。此外，激光熔覆技术不仅可以缩短制造周期，节约减少生产成本，提高零部件使用寿命，还可以实现高度自动化的智能生产，从而推动信息技术与制造技术深度融合。

4 结论

表面改性技术是延长零件使用寿命和改善零件使用性能的重要技术手段，传统的表面改性技术虽然具有技术成熟度高、强化质量稳定等优势，但其自身固有的能耗高、污染大、适应性差和操作复杂等缺点也十分明显。相比传统表面改性技术，激光表面改性技术具有能量密度高、热输出集中且绿色环保等特点，并可以根据不同的加工方式，进行生产工艺的调整。

5 展望

现阶段的表面改性技术，无论是传统表面改性技术还是激光熔覆表面改性技术其核心思想，多是从材料强化机理角度进行表面改性，虽然能够提高材料的耐磨性、耐蚀性和抗热疲劳等性能，但并不能够从降低零部件工作阻力的角度去延长使用寿命。因此，今后可以重点考虑将激光熔覆表面改性技术与生物仿生学技术进行充分融合，通过激光熔覆技术手段，在待加工零部件表面进行耐磨涂层制备的同时使熔覆涂层具备仿生学结构，从而同时实现耐磨和减阻。相信未来随着该技术的进一步研究，定会带动表面改性技术的进一步发展与完善。