溫家浩，丁永春，楊中桂，靳逸飛

1.中船重工海為鄭州高科技有限公司 河南鄭州 450001

2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所 河南鄭州 450001

3.河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州 450001

1 序言

激光是一種受激放大的光源，具有高亮度、高方向性，以及特殊的空間分布、時(shí)間控制等特殊性能。隨著20世紀(jì)60年代第一臺(tái)紅寶石激光器的誕生、70年代大功率激光器的成功研制，以及激光在材料加工中能量傳遞方便、集中、加工時(shí)間短、速度快、無(wú)污染和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，促使激光加工技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛[1]。激光表面改性是將現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)及先進(jìn)制造技術(shù)等多方面的成果和知識(shí)結(jié)合起來(lái)的高新技術(shù)[2]，其原理為光束輻照至工作表面，材料吸收光子的能量而轉(zhuǎn)化為熱量，表層溫度升高并向內(nèi)部傳熱，材料表層對(duì)激光能量的吸收，除與激光功率密度、輻照時(shí)間有關(guān)外，還受激光束的模式、波長(zhǎng)、材料的反射率和吸收率等因素的影響，激光表面改性技術(shù)與其他表面處理技術(shù)相比，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如激光熔化后形成的組織均勻性很高，而晶粒非常細(xì)小，從而強(qiáng)化了合金，使其耐磨性與耐蝕性大幅提高[3，4]。隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，越來(lái)越多的金屬部件被用于極端工作環(huán)境，如航空航天、海洋工程和軌道交通等領(lǐng)域，對(duì)性能有很高的要求，因此激光表面改性技術(shù)在高效制備表面耐磨防腐合金層方面發(fā)揮著重要作用[5]。

激光表面改性技術(shù)主要有激光淬火、激光熔凝、激光表面合金化及激光熔覆等[6]。根據(jù)工藝不同，各種方法又有其各自的獨(dú)到之處，其共性如下。

1）激光功率密度大，用激光束強(qiáng)化金屬加熱速度快（105～109℃/s），基體冷卻速度快（>104℃/s）。

2）輸入熱少，工件表面處理后熱變形很小。

3）可實(shí)現(xiàn)局部加熱，加熱不受外界磁場(chǎng)的影響。

4）能精確控制加工條件，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)加工，也易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作[7]。

2 激光表面改性關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)理

2.1 激光淬火

激光淬火是利用激光作用于工件表面所產(chǎn)生的高強(qiáng)沖擊波或應(yīng)力波，使金屬表面產(chǎn)生塑性變形，在激光沖擊區(qū)，顯微組織呈位錯(cuò)的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于經(jīng)爆炸沖擊及快速平面沖擊的材料的亞結(jié)構(gòu)。這種亞結(jié)構(gòu)明顯提高了工件表面硬度、屈服強(qiáng)度和疲勞壽命。激光表面淬火的硬化層深度一般為0.3～1.5mm；淬火硬度比常規(guī)方法高，淬火層組織細(xì)密、強(qiáng)韌性好；激光淬火清潔、高效，不需要水或油等淬火冷卻介質(zhì)，且激光淬火不開(kāi)裂，是精確定量的數(shù)控淬火[8]。

2.2 激光熔凝

激光熔凝是利用高功率密度的激光，在極短的時(shí)間內(nèi)照射金屬表面，使金屬表面局部區(qū)域瞬間被加熱到較高的溫度，并使之熔化，然后依靠低溫基體自身的冷卻作用，使熔池急冷，從而使表面得到強(qiáng)化，在較大程度上增強(qiáng)了材料表層的耐磨性和耐蝕性，使材料性能得到改善[9]。 激光熔凝原理如圖1所示。

圖1 激光熔凝原理示意

2.3 激光表面合金化

激光表面合金化是通過(guò)激光與固相物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)，將外加合金元素和金屬表面一起熔化后，迅速凝固在基體表面，只在熔化區(qū)和很小的熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生成分、組織和性能的變化，對(duì)基體的熱影響可減少到最低限度，引起的變形也較小。熔化深度由照射的時(shí)間和激光功率來(lái)控制，在基體金屬表面可形成深度0.02～2.0mm的合金層。由于冷卻速度快，因此偏析小，且細(xì)化晶粒效果顯著，從而可提高表層的耐磨性、耐蝕性和抗氧化性等[9，10]，其突出優(yōu)點(diǎn)是在瞬態(tài)過(guò)程及區(qū)域可掃描選擇性。

2.4 激光熔覆

激光熔覆技術(shù)是利用激光束在選定工件表面熔覆一層特殊性能的材料，以改善工件表面性能，該技術(shù)依托激光較高的功率密度，使激光熔覆工作時(shí)熱影響區(qū)面積較小，工件受熱變形程度小，基體的性能也不易發(fā)生改變；同時(shí)，激光熔覆技術(shù)所獲得的熔覆層具有優(yōu)異的性能，這種熔覆層的綜合性能不但優(yōu)于不銹鋼基材，而且優(yōu)于傳統(tǒng)的等離子噴涂層及各種堆焊層的性能。激光熔覆技術(shù)包括預(yù)置粉末、同步送粉等方式[7]。

激光表面熔敷與激光表面合金化的區(qū)別：激光表面合金化是使添加的合金元素與基材表面全部混合，而激光表面熔敷是預(yù)敷層全部熔化而基層表面微熔，預(yù)敷層的成分基本不變，只是使基材結(jié)合處變得稀釋[11]，如圖2所示。

圖2 激光表面合金化與熔覆示意

3 激光表面改性技術(shù)應(yīng)用

3.1 激光淬火

楊俊龍等[12]采用高功率激光器對(duì)調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼進(jìn)行表面淬火處理。結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為1.6kW、2.4kW時(shí)，35CrMo鋼表層組織中存在未熔鐵素體，硬度比基體低，與GCr15鋼對(duì)磨后的磨損質(zhì)量變化率與基體幾乎相同，耐磨性較差；當(dāng)激光功率為3.2kW、4.0kW時(shí)，表層組織全部為回火馬氏體，平均硬度可達(dá)到640HV，比常規(guī)水冷淬火后的硬度提高約20%，如圖3所示；當(dāng)激光功率為3.2kW時(shí)，磨損質(zhì)量變化率最小，表面未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損痕跡，與基體相比耐磨性得到顯著提高，如圖4所示；而當(dāng)激光功率提高到4.0kW時(shí)，較高的馬氏體自回火程度導(dǎo)致硬度與耐磨性比激光功率為3.2kW時(shí)略有降低。

圖3 不同功率激光淬火后35CrMo鋼的截面硬度分布曲線(xiàn)

圖4 調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼基體與經(jīng)不同功率激光淬火后的 磨損形貌

陳凱燁等[13]基于傳統(tǒng)激光淬火（CLQ）和振鏡掃描式激光淬火（GLQ）兩種工藝對(duì)45鋼進(jìn)行表面處理，將組織形貌與硬度分布進(jìn)行比較。在相同的總能量輸入、掃描區(qū)域和掃描時(shí)間下，兩種淬火方式硬化層橫截面形貌呈現(xiàn)巨大差異，如圖5所示。CLQ試樣硬化層深度為753.66mm、寬度為3787.21mm，橫截面形貌為“月牙形”；GLQ試樣硬化層深度為256.61mm、寬度為5808.77mm，形貌為“均勻性更好的近似月牙形”；截面硬度分布相似，均為中間主體區(qū)域高（GLQ試樣硬度810～900HV，CLQ試樣硬度790～830HV），兩側(cè)邊緣區(qū)域低（均約為760HV），如圖6所示。

圖5 橫截面淬火組織形貌

圖6 橫截面硬度分布

3.2 激光熔凝

雷曉維等[14]研究發(fā)現(xiàn)了鋁鋰合金激光焊接的熔凝過(guò)程存在晶界Cu偏析現(xiàn)象，對(duì)焊接接頭組織形貌及腐蝕性能可能產(chǎn)生關(guān)鍵影響，采用激光熔凝技術(shù)在2098鋁鋰合金板材上獲得熔凝組織。2098鋁鋰合金激光熔凝組織上表面可以對(duì)稱(chēng)分為熔池中心的柱狀晶區(qū)、熔池邊緣的等軸晶區(qū)、介于熔池中心與熔池邊緣之間的柱狀晶區(qū)三個(gè)區(qū)域，增大激光掃描速度時(shí)，熔池變窄，但三個(gè)區(qū)域的組織無(wú)顯著變化，由熔池心部到熔池邊緣，晶界Cu偏析程度逐漸升高。激光掃描速度為5mm/s時(shí)，熔池邊緣的晶界Cu含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可達(dá)21%，熔池心部的晶界Cu含量約為9%，如圖7所示。熔凝組織的抗腐蝕能力隨Cu偏析程度的增大而降低，熔池的腐蝕程度順序?yàn)椋喝鄢剡吘墸綜DZ區(qū)＞熔池心部，銅偏析對(duì)腐蝕行為的影響機(jī)理如圖8所示。熔池的抗腐蝕能力隨Cu偏析程度的增大而降低，可能是偏析Cu與Al合金基體之間形成的腐蝕微電池所致。

圖7 掃描速度對(duì)銅偏析影響的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖8 銅偏析對(duì)鋁鋰合金腐蝕性為的影響機(jī)理

楊膠溪等[15]為了提高核燃料包殼Zr-1Nb合金的抗高溫腐蝕性能，采用激光熔凝加真空退火工藝對(duì)其進(jìn)行表面處理。在較高功率條件下進(jìn)行激光熔凝，可顯著降低鋯管的高溫耐蝕性能，而在較低功率進(jìn)行激光熔凝工藝且輔助后續(xù)熱處理的條件下，可顯著提高鋯管的高溫耐蝕性能，如圖9所示；經(jīng)激光熔凝處理后鋯合金的顯微硬度升高50～80HV，如圖10所示。熱處理后硬度相應(yīng)減小，但仍高于原始樣品。

圖9 典型試樣的高溫腐蝕時(shí)間-增重曲線(xiàn)

圖10 典型試樣顯微硬度曲線(xiàn)

3.3 激光表面合金化

CHEN K等[16]利用脈沖激光電刷鍍工藝對(duì)工業(yè)純鋯（CP Zr）鍍鉻片進(jìn)行處理，使其表面合金化鉻。結(jié)果表明，Cr激光表面合金化（LSA）后，從表面到基體出現(xiàn)了5個(gè)組織特征明顯不同的區(qū)域：兩個(gè)熔化區(qū)（MZs）、兩個(gè)固相轉(zhuǎn)變區(qū)（SSPTZs）和不變基體。MZ-1和MZ-2分別為等軸和柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有亞結(jié)構(gòu)。SSPTZ-1完全由β相轉(zhuǎn)變而來(lái)的馬氏體板組成，而SSPTZ-2則由α＋β相冷卻而來(lái)，同時(shí)包含馬氏體板和塊狀α晶粒，Cr的合金化主要發(fā)生在兩個(gè)熔化區(qū)（MZ-1和MZ-2），而基本不發(fā)生在SSPTZ區(qū)，如圖11所示。硬度檢測(cè)結(jié)果表明，含Cr的LSA能有效提高CP Zr的表面硬度，其最大值（468 HV）是基體的2.4倍，如圖12所示。這種硬化主要?dú)w因于Cr在α-Zr中的固溶強(qiáng)化和顯著的晶粒細(xì)化。

圖11 LSAed試件不同放大倍率下的掃描圖像

圖12 表面激光處理區(qū)域的硬度變化

張滿(mǎn)奎等[17]為了提高SUS 304不銹鋼表面的耐磨損、耐腐蝕性能，采用激光表面合金化的方法制備了Cr-CrB2層。合金化層組織致密、晶粒細(xì)小，與基體形成冶金結(jié)合，合金化層的耐蝕性得到提高，腐蝕速率降低，如圖13所示。合金化層的極化曲線(xiàn)具有較長(zhǎng)的活化-鈍化區(qū)間，不銹鋼基體發(fā)生嚴(yán)重的晶界腐蝕和點(diǎn)蝕。

圖13 基體與合金熔覆層在HCl溶液中的極化曲線(xiàn)

3.4 激光熔覆

HE X等[18]采用激光熔覆結(jié)合微弧氧化技術(shù)在S355鋼表面制備了激光熔覆復(fù)合涂層，熔覆粉末材料為Al粉、TiC粉、Ni粉，并按6∶3∶1的質(zhì)量比混合，加入1%的CeO2，該復(fù)合涂層與基體結(jié)合良好，具有較好的力學(xué)性能。基體與涂層腐蝕與磨損的相互作用主要表現(xiàn)為基體內(nèi)的腐蝕加速磨損，而涂層內(nèi)磨損加速腐蝕，如圖14所示。涂層在靜態(tài)時(shí)具有較高的自腐蝕電位，表現(xiàn)出良好的耐蝕性，磨損狀態(tài)下，涂層表現(xiàn)為輕微腐蝕，當(dāng)電流密度為5A/dm2時(shí)，復(fù)合涂層能顯著提高基體的耐腐蝕性能。

圖14 基板和涂層的極化曲線(xiàn)

X U X等[19]首次提出了一種高速激光熔覆（EHLC）與激光熔凝（LR）相結(jié)合的工藝（見(jiàn)圖15），以綜合提高純激光熔覆涂層的表面質(zhì)量和層間結(jié)合強(qiáng)度。該集成工藝有效地優(yōu)化了表面粗糙度（降低了60%），消除了層間缺陷。電化學(xué)測(cè)試表明，與單高速激光熔覆相比，集成工藝制備的涂層具有更好的耐腐蝕性能和更低的腐蝕速率，如圖16所示。集成工藝制備涂層的腐蝕電流密度遠(yuǎn)小于單高速激光熔覆涂層，腐蝕速率較慢，這是由于大量晶界的高密度超細(xì)晶粒均勻分布在涂層表面形成了更穩(wěn)定的氧化膜所致。

圖15 集成高速激光增材制造示意

圖16 高速激光熔覆涂層和高速激光熔覆與激光熔凝結(jié)合涂層在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)態(tài)極化曲線(xiàn)

GAO Z T等[20]研究了CeO2對(duì)Ni60熔覆層裂紋敏感性、組織、相組成、溶質(zhì)偏析和顯微硬度的影響，基材為35CrMoV鋼，熔覆層由不規(guī)則納米級(jí)稀土氧化物CeO2粉末和球形Ni60合金粉末組成。熔覆層從表面到基體的顯微硬度隨熔覆層深度的增加而逐漸降低，如圖17所示。且4.0% CeO2的加入能有效抑制Ni60熔覆層的裂紋和氣孔，促進(jìn)晶粒細(xì)化，提高熔覆層組織的均勻性。

圖17 涂層顯微硬度分布

4 結(jié)論與展望

近年來(lái)，激光表面改性技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)激光表面改性的性能要求也愈加苛刻，這對(duì)激光表面改性技術(shù)提出了更大挑戰(zhàn)。本文介紹了激光表面改性中激光淬火、激光熔凝、激光表面合金化與激光熔覆4種關(guān)鍵技術(shù)與加工原理，闡述了4種激光表面改性技術(shù)的典型應(yīng)用現(xiàn)狀，可大幅提高金屬材料表面的耐磨與耐腐蝕性能。為推動(dòng)激光表面改性技術(shù)的快速發(fā)展，提出以下建議及展望。

1）基于超高速激光加工技術(shù)，開(kāi)發(fā)研制激光功率高、激光與金屬作用面積大、激光掃描速度快的表面改性方法，以提高加工效率，同時(shí)，降低局部區(qū)域激光能量密度、減小基材的變形與內(nèi)應(yīng)力；此外，激光表面改性設(shè)備向可移動(dòng)、小型集成化方向發(fā)展。

2）針對(duì)激光熔覆與表面合金化，開(kāi)展粉末材料成分設(shè)計(jì)等方面研制，開(kāi)發(fā)防腐與耐磨性能更優(yōu)異、相容性更好的材料；針對(duì)目前存在的熔覆層開(kāi)裂、氣孔、基體畸變及表面不平整等問(wèn)題，探索激光表面改性工藝優(yōu)化，并解決界面稀釋度與結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題，形成激光表面改性材料-工藝規(guī)范與數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）我國(guó)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，風(fēng)機(jī)關(guān)鍵零部件的損壞逐年增加，因此，其以關(guān)鍵零部件的表面改性來(lái)提高防腐與耐磨性能具有廣泛應(yīng)用前景；此外，針對(duì)海洋工程設(shè)備的腐蝕問(wèn)題，開(kāi)發(fā)激光表面改性技術(shù)在海軍裝備、核電站與海上風(fēng)電等領(lǐng)域的應(yīng)用。