淺談激光表面處理技術(shù)及應(yīng)用

王洪奎

(天津自行車三廠，天津 300163)

引 言

激光是人類在20世紀(jì)繼原子能、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體之后的又一重大發(fā)明。激光是一種受激輻射相干光源，其形成是在一定條件下，光電磁場(chǎng)和激光工作物質(zhì)相互作用，以及光學(xué)諧振的選模作用的結(jié)果［1］，是清潔、環(huán)保的新型能源。激光加工技術(shù)由于具有傳統(tǒng)加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)［2］，受到世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，我國(guó)的激光應(yīng)用研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，這門具有多種優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)，已成功地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、軍事、通訊、印刷、微電子、農(nóng)業(yè)育種及基礎(chǔ)科學(xué)研究等方面，提高了制造業(yè)的加工水平和產(chǎn)品性能，影響并改善著人們的生活。在表面處理技術(shù)領(lǐng)域，將激光技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用成果也呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，突出地表現(xiàn)在激光增強(qiáng)電鍍、激光增強(qiáng)誘導(dǎo)化學(xué)鍍、激光氣相沉積、激光材料改性及激光表面精飾等方面，本文擬對(duì)這些應(yīng)用技術(shù)做簡(jiǎn)要介紹。

1 激光強(qiáng)化沉積技術(shù)

1.1 激光增強(qiáng)電鍍

1978年，美國(guó)IBM公司首先把激光引入電鍍技術(shù)中。研究發(fā)現(xiàn)，將微米級(jí)激光束照射電沉積過(guò)程的陰極表面，可以提高金屬的沉積速度。之后，美國(guó)、德國(guó)及日本等國(guó)家的研究者又陸續(xù)將噴射強(qiáng)化電鍍技術(shù)和激光脈沖技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在電鍍生產(chǎn)中應(yīng)用并發(fā)表專利，逐漸形成了一種新的激光增強(qiáng)電鍍技術(shù)［1-2］。

激光增強(qiáng)電鍍技術(shù)具有以下特點(diǎn):1)沉積速度快。激光增強(qiáng)電鍍將電解液與激光束同步射向陰極表面，使電沉積過(guò)程的傳質(zhì)速度大幅提高，縮小了陰極表面擴(kuò)散層厚度，鍍層沉積速度超過(guò)常規(guī)電鍍。如激光電鍍時(shí)，鍍銅 10μm/s、鍍金 1μm/s，激光噴射電鍍時(shí)，鍍銅 50μm/s、鍍金 10μm/s［3-4］。2)激光束能提高電沉積過(guò)程中晶核生成速度，使鍍層結(jié)晶更細(xì)微致密，提高了鍍層的力學(xué)性能。3)激光束的局部熱效應(yīng)可以進(jìn)一步凈化陰極表面，增強(qiáng)鍍層與基體的結(jié)合力。4)由于激光束的強(qiáng)聚焦能力，可以實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)控制激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到復(fù)雜圖形的無(wú)屏蔽鍍層。上述特點(diǎn)使傳統(tǒng)電鍍的加工水平和鍍層性能得到了提高。

在45鋼表面進(jìn)行激光強(qiáng)化鍍鎳，與普通鍍鎳相比，鍍層硬度提高200HV，耐磨性能提高1.5倍，鍍層殘余應(yīng)力降低200MPa，鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度很高［5］。有研究顯示，在常溫及無(wú)攪拌情況下，采用CO2激光，功率密度為 200kW/m2，Jk為 1A/dm2，t為1min，鎳鍍層沉積速度為4.25nm/s，表面Ra由0.37μm 變?yōu)?0.14μm，鍍層平整，結(jié)晶細(xì)致，抗蝕能力得到了提高［6］。此外，把激光強(qiáng)化應(yīng)用在納米微粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)中，能提高納米微粒在鍍層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低鍍層的應(yīng)力，使鍍層具有更好的理化特性和機(jī)械性能［7］。

應(yīng)用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)屏蔽、無(wú)接觸式的局部電鍍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)電鍍工藝的突破。在微電子元件、電腦元件及大規(guī)模集成電路制造和維修中意義重大。目前，應(yīng)用激光電鍍技術(shù)已經(jīng)能在各種基體材料上無(wú)掩膜屏蔽鍍覆良好的銅、金、鎳及鉑等局部鍍層，代替了傳統(tǒng)加工時(shí)需要局部屏蔽或全部鍍覆后再刻蝕掉非工作面的加工方法，為微電子制造開(kāi)辟了一條經(jīng)濟(jì)、有效和便捷的加工途徑［8-12］。

1.2 激光增強(qiáng)誘導(dǎo)化學(xué)鍍

化學(xué)鍍是在無(wú)電流通過(guò)的情況下，金屬離子在還原劑作用下通過(guò)氧化還原反應(yīng)在具有催化劑的金屬或非金屬表面獲得沉積層的方法。利用激光的熱效應(yīng)和光效應(yīng)可以增強(qiáng)和激發(fā)化學(xué)鍍的過(guò)程。激光增強(qiáng)誘導(dǎo)化學(xué)鍍除了具備激光電鍍的特點(diǎn)外，還有以下優(yōu)點(diǎn):1)使化學(xué)鍍?cè)谳^低的溫度下進(jìn)行，節(jié)省能源。2)延長(zhǎng)化學(xué)鍍液的使用壽命，增加鍍液工作周期。3)工藝簡(jiǎn)便易行，鍍層均勻，裝飾性好，孔隙率低。

利用激光增強(qiáng)誘導(dǎo)化學(xué)鍍?cè)谄胀ㄌ沾苫w上沉積鎳，與普通化學(xué)鍍相比，激光誘導(dǎo)化學(xué)鍍的沉積速度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，鍍層表面平滑、結(jié)晶顆粒規(guī)則致密［13］。某專利［14］公開(kāi)了一項(xiàng)利用激光誘導(dǎo)進(jìn)行選擇性化學(xué)鍍的方法。該方法是在非金屬基體上光涂布聚乙烯吡咯酮-銀膠，然后采用激光輻射，輻射區(qū)的膠體銀離子被還原嵌入基體中，再將未輻射區(qū)的膠體銀離子洗掉，得到嵌有圖形的銀離子基體，然后進(jìn)行化學(xué)鍍銅、鎳或銀，得到微米級(jí)圖形化的鍍層，線條分辨率達(dá)25μm，鍍層δ為2μm，附著力符合GB4677.7-84國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 激光氣相沉積

氣相沉積是制造各種功能薄膜的技術(shù)。按成膜原理可分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。傳統(tǒng)的PVD技術(shù)是使用真空蒸發(fā)或?yàn)R射，使鍍膜材料汽化在基體表面成膜，加工的基本環(huán)節(jié)是將靶材汽化、輸送和成膜。采用激光束照射蒸鍍材料，激光高能量使蒸鍍材料汽化，然后在基體上成膜就是激光物理氣相沉積技術(shù)(LPVD)。由于激光具有的高能量，能汽化材料的范圍很廣，包括非導(dǎo)電陶瓷和高熔點(diǎn)材料，形成對(duì)PVD技術(shù)的強(qiáng)化。目前利用LPVD技術(shù)，已從金屬膜沉積發(fā)展到半導(dǎo)體膜、介質(zhì)膜、非晶態(tài)膜、摻雜膜及超硬質(zhì)膜的制造［15-16］。

利用激光對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積進(jìn)行強(qiáng)化稱為激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)，其原理是利用激光能量誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生游離狀原子或分子沉積在基體表面形成薄膜。LCVD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是低溫、選擇性好、分辨率高、沉積速度快及不損傷基體等［17］。舉例說(shuō)，用傳統(tǒng)方法在工具鋼表面沉積高硬度的TiN薄膜可以大幅提高零件的使用壽命;但由于傳統(tǒng)工藝溫度高，一般需1000℃左右，這將導(dǎo)致基體退火軟化，因此成膜后必須對(duì)零件重新在保護(hù)氣氛下(防止TiN膜被氧化)淬火及回火，使工藝過(guò)程復(fù)雜;而應(yīng)用LCVD技術(shù)不會(huì)引起基體硬度降低，使工藝過(guò)程大為簡(jiǎn)化。LCVD技術(shù)應(yīng)用在切削工具和磨具制造中，常用的涂層有TiN及TiC，可以大幅提高耐磨性能和抗高溫氧化性能。

近年來(lái)，應(yīng)用激光強(qiáng)化氣相沉積技術(shù)，已成功制造出超硬、耐磨、抗氧化、超導(dǎo)、光敏、磁記錄、信息存儲(chǔ)、光電轉(zhuǎn)換及吸收太陽(yáng)能等各種功能涂層，應(yīng)用在宇航、自動(dòng)化、微電子制造及核能利用等領(lǐng)域，對(duì)現(xiàn)代高端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著十分重要的作用［18］。

2 激光材料表面改性

為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)材料表面各種性能的需要，表面改性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生且得到不斷發(fā)展。在各種改性技術(shù)中，激光表面改性獨(dú)具特色。激光束具有高亮度、高單色性和高相干性，功率密度可達(dá)1 PW/m2，當(dāng)材料表面受到高能束激光輻射時(shí)，吸收光子的能量轉(zhuǎn)化為熱量，表面溫度升高，在不同溫度下，材料表面會(huì)出現(xiàn)固態(tài)相變、熔化、汽化及等離子現(xiàn)象［1，19］。經(jīng)歷了迅速升溫和急驟冷卻的過(guò)程之后，會(huì)發(fā)生晶粒細(xì)化和相變硬化，能有效地提高表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性及抗疲勞性。

2.1 激光表面淬火

表面淬火是激光用于材料表面加工最早也最成熟的加工技術(shù)。激光表面淬火是將聚焦的激光束對(duì)零件表面迅速加熱，使材料表層快速升溫至相變臨界溫度以上，使內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的奧氏體組織，而材料內(nèi)部仍在相變溫度以下，保持原有的組織狀態(tài)。自激冷卻后，工件表層獲得細(xì)致的馬氏體組織，從而提高了表面硬度和耐磨性，而零件內(nèi)部基體沒(méi)有發(fā)生改變，仍然保持原有的強(qiáng)度和韌性。［19］

為了提高材料表面對(duì)激光的吸收率，淬火前要預(yù)處理，在需要淬火的部位涂覆高吸收率的涂層，如磷化膜、氧化膜及鍍層等。激光淬火功率密度為10MW/m2～1GW/m2。

傳統(tǒng)的熱處理淬火工藝，在加溫、冷卻和零件清洗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢渣和廢液。如鹽浴加熱中使用的氯化鋇、氯化鈉、硝酸鉀及冷卻介質(zhì)的水、油、熔鹽及熔堿等，產(chǎn)生對(duì)環(huán)境污染的危險(xiǎn)物質(zhì)，并造成對(duì)從業(yè)者的危害，激光淬火完全避免了這些情況的發(fā)生。此外，由于激光淬火升溫快、冷卻快，避免了傳統(tǒng)熱處理工藝容易造成工件變形、開(kāi)裂和尺寸超差的弊病。對(duì)要求變形量小的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，尤其是盲孔、深槽、尖角、微小區(qū)域及刀具刃部，處理后可直接使用。激光淬火常用于模具、齒輪及軸類等的表面強(qiáng)化［19］，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，表面硬度可提高5% ～10%，耐磨性能可提高2～5倍。

2.2 激光表面合金化

表面合金化的目的是使材料表面獲得各種合金材料的優(yōu)越性能，這是節(jié)約貴重金屬、提高產(chǎn)品零件性價(jià)比的有效途徑。使材料表面合金化的方法有電沉積法和熱熔法［20］。激光表面合金化是熱熔法，電鍍合金鍍層和激光表面合金化的工藝特點(diǎn)及合金層結(jié)構(gòu)可謂各有千秋，呈現(xiàn)出不同的品貌。

用電鍍法制備合金鍍層的歷史已經(jīng)很久了。研究過(guò)的合金鍍層有200多種，但應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的只有十分之一左右。電鍍合金層較薄，一般在100μm以下，鍍層與基體的結(jié)合力受電沉積過(guò)程，包括前處理中諸多因素的影響。合金鍍層是非平衡狀態(tài)下的金相結(jié)織，甚至形成非晶態(tài)組織。在不同工藝條件下電沉積同一組成的合金，其金相組織也可能不同，這是因?yàn)殡婂円汗ぷ鳒囟韧ǔＴ?00℃以下，遠(yuǎn)低于金屬的熔點(diǎn)。而且，鍍液成分、溫度和電流密度等工藝條件也會(huì)對(duì)鍍層組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。鍍層中可能有金屬間化合物，還可能出現(xiàn)固溶體的組成區(qū)域擴(kuò)散等［21］。電鍍法的優(yōu)勢(shì)在于可以制備熔點(diǎn)相差較大及性能優(yōu)異的非晶合金層，是熱熔法所不及的。

激光表面合金化是在高溫狀態(tài)下形成的。加工過(guò)程首先是將欲添加的合金成分通過(guò)電鍍、熱噴涂或氣相沉積等方式涂覆于基體表面;也可以采用氣體將合金成分的細(xì)粉直接噴射在基體表面，然后進(jìn)行激光束掃描，功率密度為100MW/m2～10GW/m2，利用高溫將合金材料熔化，冷卻后形成了合金表面。很明顯，這與電鍍合金鍍層不同。激光表面合金化生成的合金層是在高溫熔融狀態(tài)下形成的共熔體，合金層組織結(jié)構(gòu)為平衡的金相組織，合金層與基體間呈純粹的冶金結(jié)合，有極強(qiáng)的結(jié)合力。此外，激光表面合金化制備的合金層種類更寬泛，熔池深度可達(dá)0.5～2.0mm，材料表面耐磨性能和耐腐蝕性能更為優(yōu)異。20鋼加入Ni和WC粉末進(jìn)行表面合金化處理，耐磨性可提高5倍以上。45鋼表面加入Cr和C元素進(jìn)行激光表面合金化獲得的表層合金，可生成類似不銹鋼材料的表面，在15%HNO3溶液中浸泡3h仍保持良好的金屬光澤［22］。

2.3 激光熔覆

激光熔覆是利用高能激光束把與基體不同成分和性能的被覆材料與基體表層迅速熔化，在基體表面形成很薄的熔覆層的加工方法。施加的激光束功率密度為100MW/m2～10GW/m2，處理深度為0.2～5.0mm。與激光表面合金化不同的是形成合金時(shí)，基體對(duì)表層合金的稀釋率要小。稀釋率是指在熔覆過(guò)程中，基體材料混入熔覆的合金成分而發(fā)生的改變，用基體材料占熔覆層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，激光熔覆一般小于8%。熔覆材料多為鎳基、鐵基、鈷基和金屬陶瓷等粉狀物質(zhì)，根據(jù)被加工零件對(duì)耐磨、耐熱及耐腐蝕性的不同要求做適當(dāng)選擇。熔覆材料可以熱噴涂或粘結(jié)方式預(yù)先置于加工部位，也可采取同步送料，在激光束照射時(shí)將定量的熔覆材料加熱后落入零件表面的加工部位，熔覆后零件表面迅速冷卻，造成熔覆層很薄，最小δ僅為62.5μm，熱影響深度0.25～12.70mm，組織極為細(xì)致和致密，甚至形成亞穩(wěn)相、非晶態(tài)和超彌散組織［23］。熔覆層具有低稀釋率、低孔隙率及微裂紋，與基體形成優(yōu)異的冶金結(jié)合。

激光熔覆的主要目的是在廉價(jià)金屬表面獲得高性能的合金，降低制造成本，提高零件耐磨、耐腐蝕及耐高溫氧化等綜合性能［24］。在高溫狀態(tài)下工作的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓葉片，經(jīng)CO2激光，同步送粉，在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行表面熔覆加工，比傳統(tǒng)加工方法減少合金材料用量的50%，并節(jié)約加工工時(shí)60%以上［22］。某兵器零件，基體為L(zhǎng)Y鋁合金，采用 CO2激光，同步送粉，熔覆材料為d=20～40μm的SiC粉末，氬氣保護(hù)，在零件表面制備出與基體結(jié)合力良好，以SiC顆粒為增強(qiáng)相的鋁基金屬陶瓷復(fù)合熔覆層，硬度為 900～1100HV，耐磨性能顯著提高［25］。

2.4 激光非晶化

激光非晶化又稱激光熔凝，是利用高能激光束掃描輻射，功率密度為100GW/m2～1TW/m2，使零件表面鍍層快速熔化，并以100k℃/s以上快速冷卻至結(jié)晶溫度以下，使熔融狀態(tài)來(lái)不及結(jié)晶、同時(shí)抑制熔體外延長(zhǎng)大，處于無(wú)序狀態(tài)形成非晶體，表面形成超細(xì)的微觀組織，材料的微觀裂紋熔合，成分偏析消除，形成類似玻璃狀的硬化層，故有“金屬玻璃”之稱。非晶化處理一般不需要預(yù)置吸光物質(zhì)，只需要被加工表面有一定的粗糙度即可進(jìn)行加工。激光非晶化處理多用于鑄鐵和鑄造合金材料的改性，處理后的表面容易生成鈍化膜，臨界鈍化電流密度降低，減少材料受電化學(xué)腐蝕傾向，提高了耐腐蝕疲勞性能。

含粗顆粒初生硅d=60μm的鑄造鋁硅合金，基體為Al-Si共晶體，經(jīng)適當(dāng)熔凝處理后，得到均勻的d=1～4μm細(xì)硅粒，材料硬度提高。40Cr鋼經(jīng)熔凝處理后，旋轉(zhuǎn)彎曲腐蝕疲勞壽命提高3～8倍［22］。

值得一提的是以往非晶化處理是在基體材料表面形成非晶態(tài)薄膜。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家致力于研發(fā)制造比塑料易塑、比不銹鋼更剛的真正意義上的“金屬玻璃”功能材料。這種非晶態(tài)合金有超高比強(qiáng)度、大彈性變形和低熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)，用于衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣及空間探測(cè)器的伸展機(jī)構(gòu)制作。20cm螺旋狀的盤壓伸桿打開(kāi)后能達(dá)到2m高度［26］。

3 激光表面精飾加工

利用高能激光束對(duì)材料表面進(jìn)行局部照射，材料表層因受熱迅速發(fā)生汽化或物理和化學(xué)變化，露出深一層或?qū)е骂伾淖?，出現(xiàn)不宜退掉的明顯痕跡，或通過(guò)激光熱效應(yīng)燒掉表層物質(zhì)，利用這一現(xiàn)象，可以在材料表面刻蝕出各種文字、線條及圖形等。激光刻蝕可以代替化學(xué)腐蝕、機(jī)械刻蝕及電火花加工［27］。其特點(diǎn)是適用范圍廣，幾乎可以適用于所有材料的表面精飾加工;加工過(guò)程為非接觸式，無(wú)毒無(wú)污染發(fā)生;精飾圖形牢固、耐磨損，長(zhǎng)時(shí)間保持無(wú)變色;精度高，線條可達(dá)到微米級(jí)、裝飾效果極強(qiáng)。如在鍍鉻層δ=20μm的板上采用脈沖激光刻蝕，使鉻層發(fā)生均勻汽化，刻蝕出的線條連貫均勻，線寬75～80μm。在太陽(yáng)能電池硅片制造中，用激光刻蝕可以加工d=0.1mm的圓孔［28］。

近年來(lái)，利用微機(jī)控制圖形軟件和激光刻蝕技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行各種文字、商標(biāo)、條形碼及復(fù)雜圖形的表面刻蝕加工，已作為防偽技術(shù)應(yīng)用在各類名優(yōu)產(chǎn)品上。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光表面處理技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。激光加工為非接觸形式，被加工件變形小，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)加工方法的有力挑戰(zhàn)。應(yīng)用激光表面處理技術(shù)，可以大量節(jié)約貴重材料及能源，使材料表面獲得各種優(yōu)異的力學(xué)性能及電化學(xué)性能，為現(xiàn)代制造業(yè)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和清潔生產(chǎn)拓展了一條新路。

目前，應(yīng)用激光的表面處理工程技術(shù)存在的問(wèn)題是:1)激光加工設(shè)備一般由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成，一次性投資較大，影響了它的普及和應(yīng)用廣泛性。2)激光加工特別適合成批量的生產(chǎn)，在單件和小批量生產(chǎn)中應(yīng)用存在風(fēng)險(xiǎn)，加工成本相對(duì)較高。3)激光表面處理技術(shù)只有部分應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，有些尚處于研究開(kāi)發(fā)階段。

為推進(jìn)激光表面處理工程技術(shù)的發(fā)展，要深入開(kāi)展對(duì)激光加工機(jī)理的研究，提出并逐步健全激光表面加工的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)加工過(guò)程中的影響因素和實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。此外，還要造就一批具備光學(xué)、材料學(xué)、電化學(xué)及機(jī)械加工工藝學(xué)等專業(yè)知識(shí)的復(fù)合型人才，推動(dòng)激光表面處理技術(shù)的研發(fā)和實(shí)踐應(yīng)用。

21世紀(jì)人類進(jìn)入了低碳時(shí)代，環(huán)境保護(hù)和清潔生產(chǎn)的意識(shí)不斷增強(qiáng)。激光，這支科技園中的奇葩，必將更加絢麗多姿。激光表面處理技術(shù)的應(yīng)用前景將更廣闊。

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