激光表面合金化的研究進(jìn)展

譚友宏，劉 敏，馬文有

1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東廣州 510650

激光表面合金化的研究進(jìn)展

譚友宏1,2，劉 敏2，馬文有2

1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東廣州 510650

激光表面合金化作為一種材料表面改性技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景.本文綜述了激光表面合金化工藝及其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，指出了目前在研究方面存在的問題與解決方法，對其今后的研究方向進(jìn)行了展望.

激光表面合金化；表面改性；研究進(jìn)展

激光表面合金化（LSA）是采用激光加熱，使金屬表面合金化，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的方法.它是利用激光輻照來加熱工件，并使之熔化至所需深度.添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪乜筛淖兓牡谋砻娼M織，形成新的非平衡微觀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的耐磨損、耐疲勞和耐腐蝕性能[1].

利用激光表面合金化能在一些廉價(jià)的母材表面制備出耐磨、耐蝕、耐高溫的合金化層，從而大幅度降低材料成本.1964年以來，隨著激光器性能的不斷完善和大功率激光器的開發(fā)，激光表面合金化技術(shù)得到了迅速發(fā)展.尤其是近年來，日本、歐美各國投入了大量的人力、物力和財(cái)力，對激光表面合金化技術(shù)進(jìn)行了較為廣泛的研究.國內(nèi)自20世紀(jì)80年代初開始進(jìn)行這方面的研究.研究的基材包括普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵等鋼鐵材料，以及Al，Mg，Ti，Cu及其合金等有色金屬.

1 激光表面合金化工藝

按合金元素的加入方式可將激光表面合金化分為三類：預(yù)置式、送粉式和氣體激光表面合金化.

預(yù)置式激光表面合金化是把要添加的合金元素預(yù)先置于基材欲合金化的部位，然后再用激光輻照使其熔化.

送粉式激光表面合金化是采用送粉裝置將添加的合金粉末直接送入基體表面的激光熔池內(nèi)，使添加合金元素與激光熔化同步完成.

氣體激光表面合金化是將基材置于適當(dāng)?shù)臍夥罩?，使激光輻照的部位從氣氛中吸收碳、氮等，并與之化合而實(shí)現(xiàn)表面合金化[2].

1.1 基材與合金化組元的選擇

在激光表面合金化工藝中，人們對基體材料的選擇和合金成分的配比進(jìn)行了大量深入的研究,目前，激光表面合金化的基材多數(shù)是鐵基合金和有色金屬，此外，半導(dǎo)體與金屬薄膜的合金化也是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域.

鐵基合金包括普通碳鋼、合金鋼、工具鋼、不銹鋼及各類鑄鐵等；有色金屬包括A l，Ti，Cu，Mg及其合金.在合金化組元的選擇上，既有Cr，Ni，W，Ti，Co及Mo等金屬元素，也有C，N，B及Si等非金屬元素以及碳化物、氧化物和氮化物等.

1.2 影響激光表面合金化質(zhì)量的主要因素

影響激光表面合金化質(zhì)量的主要因素有：激光系統(tǒng)、基材、處理?xiàng)l件和合金化所添加的材料.激光系統(tǒng)包括激光器類型、光束模式、光束的作用方式、輸出功率等.基材包括化學(xué)成分、幾何尺寸及形狀、表面狀態(tài)、原始組織等.處理?xiàng)l件包括光束形狀、掃描速度、光斑直徑、搭接率、激光輸出功率、氣體的流速、流量及流向等.添加材料包括化學(xué)成分、粉末粒度及加入方式、供給量或預(yù)涂層的厚度等[2].在這些因素中，對激光表面合金化質(zhì)量影響較大的因素是：激光能量密度、掃描速度、搭接率及預(yù)涂合金層厚度等.

2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

2.1 鐵基合金的激光表面合金化

可進(jìn)行激光表面合金化的主要鐵基合金有：工業(yè)純鐵、普通碳鋼、合金鋼、工具鋼和鑄鐵等.

2.1.1 耐磨性

通過添加碳化物、硼化物等硬質(zhì)粒子或C，N，B，W，Ti及Cr等元素，原位生成碳化物、氮化物、硼化物或金屬間化合物來提高基體的硬度和耐磨性.目前，很多研究者選擇碳化物混合粉末進(jìn)行激光表面合金化來提高鐵基合金的耐磨性.Sun等人[3]在球墨鑄鐵軋輥表面激光合金化B4C，WC，TiC及Cr2C3混合粉末.結(jié)果表明：合金化層中形成了固溶體、馬氏體、殘余奧氏體和大量的碳化物，顯微硬度由基體的500 HV0.05提高到1201 HV0.05，耐磨性約為基體的1.6倍.Yan在球墨鑄鐵表面激光合金化超細(xì)TiC和Cr2C3混合粉末，合金化層中形成的先共晶奧氏體、萊氏體、TiC、Cr7C3和Cr23C6相使基體的硬度和耐磨性能顯著提高[4].另外，很多研究人員也選擇了碳化物硬質(zhì)相加金屬或合金組成的混合粉末進(jìn)行激光表面合金化來提高基體的耐磨性.文獻(xiàn)[5]在70MnV軋輥鋼表面激光合金化NiCr-Cr3C2混合粉末，合金化層中形成的Cr7C3、Fe3C等相，耐磨性比基體提高了7.8倍左右.Anandan在AISI304不銹鋼表面激光合金化WC+Ni+NiCr混合粉末，合金化層中包含了未分解的WC，W2C，M23C6及M6C等相，硬度達(dá)到了1350VHN（基材的硬度是220VHN）[6].

粉末粒度對激光表面合金化層的耐磨性也有影響，Tong等人[7]研究了WC的粒度對中碳鋼激光表面合金化耐磨性的影響.結(jié)果表明，粉末越細(xì)，合金化層的硬度越高，但高的硬度其耐磨性不一定好.因?yàn)榉勰╊w粒的大小會(huì)對WC在合金化層中的分布和含量有影響，進(jìn)而影響到耐磨性.

加入稀土氧化物也能提高基體表面的耐磨性.WU等人[8]在40Cr鋼表面激光合金化Mo+Y2O3混合粉末，使40Cr鋼的硬度和耐磨性有所提高，這是由于Y2O3改善了合金化層組織的致密性和均勻性、合金化層內(nèi)馬氏體的強(qiáng)化作用、固溶強(qiáng)化作用以及合金化層內(nèi)大量殘余奧氏體的存在共同作用的結(jié)果.

2.1.2 耐蝕性

一般通過在碳鋼表面加入Cr，Mo及Ni等元素來提高其耐蝕性.崔祥鵬等人[9]在45鋼表面合金化鉻鉬硼，獲得了高耐蝕性的合金復(fù)合涂層，合金化層在鹽酸中的抗腐蝕性能得到顯著提高.Khalfalla在奧氏體不銹鋼表面激光合金化石墨粉，研究認(rèn)為，硬度和耐蝕性的提高歸于由網(wǎng)狀共晶組織（γ+碳化物）圍繞著的細(xì)小均勻的樹枝晶[10]組成的合金化層組織.另外，Abdolahi把低碳鋼熱浸在熔融的鋁池中，然后對熱浸鋁化低碳鋼進(jìn)行激光表面合金化處理，生成的抗腐蝕性FeAl和Fe3A l相使低碳鋼的耐蝕性提高了5倍[11].

提高合金化層的耐高溫和抗疲勞性能可通過添加Co，Cr及Mo等元素來實(shí)現(xiàn).Co可以提高鋼在加熱時(shí)的組織穩(wěn)定性，阻礙碳化物的長大.Tong等人[12]用預(yù)涂Cr粉的方法對灰鑄鐵進(jìn)行激光表面合金化，以提高灰鑄鐵的抗熱疲勞性.合金化層中的Cr含量隨預(yù)置涂層厚度的增加而增加，其抗熱疲勞性也隨之得到提高.

2.2 有色金屬的激光表面合金化

目前，對有色金屬的激光表面合金化是以鋁和鋁合金以及鈦和鈦合金為基材開展研究的.主要通過加入碳化物硬質(zhì)粒子，在合金化過程中碳化物硬質(zhì)粒子將保持原來的形態(tài)鑲嵌在合金化層中；加入能產(chǎn)生固溶或析出強(qiáng)化的元素或能形成金屬間化合物的元素來提高基材的硬度、耐磨性和耐蝕性.

2.2.1 鋁及其合金的激光表面合金化

通常加入Ni元素對鋁及其合金進(jìn)行激光表面合金化.Vaziri在Al表面激光合金化Ni粉后，合金化層的硬度比基材提高了10～15倍[13].GordaniGR在A l合金表面激光合金化Ni-P，合金化層中的Ni、Ni-Al金屬間化合物、NiA l固溶體提高了材料的耐蝕性[14].Nath在純鋁表面激光合金化WC+Co+NiCr混合粉末.結(jié)果表明：合金化層中形成的WC，W2C，Al4C3，A l9Co2，A l3Ni及Cr23C6相使純鋁的表面硬度和耐磨性得到了提高[15].

2.2.2 鈦及其合金的激光表面合金化

通常加入C，Si及B等元素對鈦及其合金進(jìn)行激光表面合金化.Chen Y等人[16]在γ-TiAl合金表面預(yù)涂純碳粉，經(jīng)過激光表面合金化原位生成TiC復(fù)合涂層，復(fù)合涂層呈現(xiàn)出高硬度和良好的耐高溫滑動(dòng)磨損.Majumdar等人[17]在純Ti表面激光合金化Si粉，合金化層中的Ti5Si3相可提高純鈦的耐磨性.Tian等人[18]在純Ti表面激光合金化TiN-B-Si-Ni混合粉末，生成的Ti6Ni6Si7，TiB2，TiNi及TiN金屬間化合物可提高純鈦的硬度、耐磨性和抗氧化性.Ng等人[19]在NiTi合金表面激光合金化Nb-Co混合粉末來提高NiTi合金的耐磨性和耐蝕性.Nb具有生物適應(yīng)性，能形成穩(wěn)定的金屬間化合物.

2.2.3 Cu與Mg合金的激光表面合金化

Wong等人[20]在純銅表面激光合金化純鈦粉后，生成的 CuTi，CuTi2，Cu4Ti3及α-Ti等相和固溶強(qiáng)化作用使純銅的硬度顯著提高.由于Ti的存在和金屬間化合物相形成的局部保護(hù)性氧化物純銅的耐蝕性也得到了提高，合金化層的耐蝕性接近于純Ti.Paital等人[21]通過在Mg合金表面激光合金化A l粉形成A l12Mg17金屬間化合物來提高鎂合金的耐蝕性.

3 激光表面合金化的應(yīng)用

目前，激光表面合金化技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，美國通用汽車公司在發(fā)動(dòng)機(jī)鋁制氣門座上進(jìn)行了激光表面合金化處理.工件的變形量≤0.13mm，硬度大于55HRC，在540℃下2 h無明顯軟化.AVCO公司采用30%Cr粉激光表面合金化處理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥，其耐磨性、耐蝕性和抗沖擊能力都得到了很大的提高.我國結(jié)合石油、化工、冶金、汽車、電力等行業(yè)開展了大量的激光表面合金化的研究工作.例如，對MQTMn6輥道和45鋼輥道進(jìn)行激光納米陶瓷合金化后，輥道的硬度和耐磨性顯著改善，輥道的在線工作時(shí)間為未處理時(shí)的2～3倍，降低了軋鋼成本[22].柳鋼棒線廠的軋輥經(jīng)激光納米陶瓷合金化后，軋輥的高溫耐磨性和抗熱疲勞性能有所提高，從而提高了作業(yè)效率，綜合經(jīng)濟(jì)效益非常顯著[23].

4 存在的主要問題與解決方法

目前，激光表面合金化存在的主要問題有：合金化層的質(zhì)量控制，大功率激光加工設(shè)備的穩(wěn)定性和配套性尚未達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)水平，激光表面合金化的工藝和理論研究尚不成熟等.合金化層的質(zhì)量控制主要是對合金化程度的控制、合金化層成分的控制及防止合金化層產(chǎn)生裂紋等.

4.1 合金化程度的控制

影響合金化程度的工藝參數(shù)主要有激光功率密度、光束作用時(shí)間和預(yù)涂覆層厚度.在基材及其表面對激光能量的吸收率一定時(shí)，縮短激光作用時(shí)間和降低功率密度，可使合金化區(qū)域中的合金元素的含量相對減少.另外，合金化區(qū)域中合金元素的濃度會(huì)隨粉末涂敷層厚度的增加而增大.但涂敷層厚度不能過大，否則難以在基體表層熔解，達(dá)不到合金化的目的[24].

4.2 合金化層成分的控制

在合金化過程中，合金化元素的燒損將導(dǎo)致合金化層內(nèi)合金元素分布不均勻.Man H C等人[25]通過紅外線發(fā)射的方法對預(yù)置式激光表面合金化過程中的熔池深度和合金化層的稀釋率進(jìn)行監(jiān)控，但目前未能做到對合金化成分和元素溶入量的精確控制及熔化過程中各元素?zé)龘p系數(shù)的系統(tǒng)測定.

4.3 合金化層裂紋的防止

高能密度激光束的快速加熱，在熔凝層與基材間產(chǎn)生了很大的溫度梯度.在隨后的快速冷卻過程中，這種溫度梯度會(huì)造成熔凝層與基材的體積膨脹收縮的不一致，產(chǎn)生了熔凝層的內(nèi)應(yīng)力.熔凝層的內(nèi)應(yīng)力通常為拉應(yīng)力，當(dāng)局部應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋.由于熔凝層的枝晶界、氣孔、夾雜物等處斷裂強(qiáng)度較低或易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此，裂紋往往在這些部位產(chǎn)生.通過調(diào)整激光表面合金化的工藝參數(shù)，預(yù)熱，激光重熔、高溫固溶處理和回火處理等后處理以及調(diào)整合金化成分等方法來防止裂紋的產(chǎn)生，也可以通過選擇與母材物理性能相近的合金化添加材料來防止合金化層產(chǎn)生裂紋.

5 結(jié)語

激光表面合金化作為先進(jìn)的材料表面改性技術(shù)之一，日益受到重視.針對其在開發(fā)應(yīng)用過程中存在的問題，激光表面合金化的研究重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾個(gè)方面：（1）加強(qiáng)激光表面合金化基礎(chǔ)理論的研究；（2）提高激光表面合金化涂層的質(zhì)量；（3）擴(kuò)大激光表面合金化的應(yīng)用領(lǐng)域.

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Research progresson laser surfacealloying

TANYouhong1,2,LIUM in2,MAWenyou2
1.Guangdong University ofTechnology,Guangzhou 510006,China；2.Guangdong General Research Institute of Industrial Technology,Guangzhou(Guangzhou Research Institute ofNonferrousMetals),Guangzhou 510650,China

Laser surface alloying(LSA)is amaterial surfacemodification technology,which has w ide application prospects.In this paper,the latest research development of laser surface alloying is reviewed.The existent problemsand solutionsare presented.The further research isproposed aswell.

laser surfacealloying;surfacemodification;research progress

TG174.44

A

1673-9981(2012)02-0096-04

2012-03-07

譚友宏（1984-），男，廣東湛江人，碩士研究生.