淺析激光表面合金化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向

王斌修 田新國

（青島理工大學(xué)機械工程學(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。這個過程可使合金元素在凝固后的組織達到很高的過飽和度，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］。通過對一些價格便宜、表面性能不夠優(yōu)越的材料進行激光表面合金化，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重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 激光表面合金化的特點及合金層性能

1.1 激光表面合金化的特點

激光表面合金化可以使廉價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現(xiàn)自動化等優(yōu)點，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、光纖等進行遠距離傳播，并能精確控制加熱速度和功率密度，幾乎不會造成變形和開裂，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)細密，與基體間的結(jié)合強度很高。

（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，再加上相變造成的變形和快速冷卻產(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Ti－48Al－2Cr－2Nb金屬間化合物進行激光表面合金化處理，干滑動及磨料磨損實驗證明，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 Ti－48Al－2Cr－2Nb 金屬間化合物合金化后對SiC纖維刷高速滑動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AISI316L不銹鋼進行激光表面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)測試，除草機刀片表面合金層在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20Cr2Ni4W鋼進行激光表面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，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)域的研究熱點之一，獲得了迅猛的發(fā)展。在這一時期，各國對激光表面合金化技術(shù)進行了大量的研究，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］對低鎳鉻無限冷鑄鐵軋輥進行激光表面陶瓷合金化處理，處理后的軋輥表面晶粒細化、位錯密度增加、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化及組織細化作用，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，利用其細化晶粒和沉積強化的作用，提高彈簧的減振性，屈服強度提高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2Cr13低碳馬氏體不銹鋼汽輪機葉片進行激光表面合金化，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化，與合金化處理前的汽輪機葉片相比，其抗氣蝕性能提高一倍以上，表面平均硬度達到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鎂合金激光表面合金化進行研究，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15% ～55%，表面硬度達到250 HV，復(fù)合加入銅合金時，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鎂合金進行激光表面合金化，在實驗中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)動機鋁制氣門座上進行激光合金化，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透偁幜Φ南冗M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)實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，還需要對以下幾個方面進行進一步研究。

（1）進一步加強激光表面合金化理論的研究

當(dāng)前研究多限于加工工藝，而對激光表面合金化理論的研究相對較少，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)量是評定實驗成敗的重要標(biāo)志，所以加強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，對材料表面合金化過程進行數(shù)值模擬成為未來發(fā)展趨勢之一。

（3）加強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、焦點位置、掃描速度及光斑直徑等加工工藝參數(shù)，以對材料進行高精度、高質(zhì)量的激光表面合金化處理。

（5）進一步拓寬激光表面合金化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，如對半導(dǎo)體、有機物及金屬薄膜等進行激光合金化研究。

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)濟建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，尤其是大功率激光技術(shù)、測控技術(shù)及材料加工等技術(shù)的進步，激光表面合金化將向著大功率、自動化和智能化的方向邁進，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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