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隨著航空航天、新能源、軌道交通等領域高端裝備的發展，對其使用部件的表面性能要求也逐漸提高，傳統的感應、噴涂、噴丸、滾壓等常規表面強化手段已很難勝任高性能設備的各種生產需求。而被現代工業譽為“萬能加工工具”以及“未來制造系統共同的加工手段”的激光技術，逐漸被用于改善金屬材料的表面性能和解決傳統改性技術不能解決的問題。激光表面改性技術作為一種表面工程普適性技術，面向中國制造業轉型升級的重大需求，直接服務于重大裝備高端部件的性能提升和國產化制造。該技術的適用范圍和應用領域非常廣泛，包括礦山機械、石油化工、航空航天、能源動力、軌道交通、冶金、醫療器械、機床、發電、印刷、包裝、模具以及制藥等行業，具有巨大的應用前景。
激光表面改性技術的特點
激光表面改性技術能在成本較低的材料表面制備低價格高性能的表面涂層，對重要零件材料與性能的選擇匹配、設計和制造具有重要意義。激光表面改性技術是表面工程制造中極具應用潛力的制造技術，它利用激光的高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特性，通過改變金屬材料表面的組織結構和化學組成等對材料表面進行改性或合金化，從而達到改善材料表面性能的目的。常見的激光表面改性技術有激光淬火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆及激光沖擊強化等。其中最具代表性的表面改性技術有激光淬火、激光熔覆及激光沖擊強化。
激光表面改性的技術需求及應用現狀
據統計，中國平均每年都會由于關鍵基礎零部件失效造成巨大的裝備故障損失（約占國民經濟總產值的3％-5％）。其中，80％以上是因表面局部磨損、腐蝕等失效引起的，損失超過萬億元。因此，利用表面工程技術改善關鍵基礎零部件表面使用性能對減少裝備故障損失具有重要意義。作為極具應用潛力的表面工程技術，激光表面改性技術已被逐漸用于金屬零部件的強化與修復上，在機械制造與維修、汽車制造、航空航天和石油化工等領域中得到廣泛應用。
激光淬火技術最為廣泛的應用是發動機零件的表面強化。激光淬火幾乎可以用于發動機的所有耐磨零件，如凸輪軸、曲軸、缸套、缸體缸孔、活塞環、活塞脹圈、排氣門和閥座、離合器片、汽門搖臂、連桿、齒輪、軸承座等零件，如圖1所示。美國的通用汽車公司在上世紀70年代就采用激光相變硬化處理汽車轉向裝置的內壁，建立了第一條汽車動力轉向殼內腔二氧化碳激光表面淬火生產線，并在之后建成17條生產線，零件日處理量達到三萬多件，可將其耐磨性提高近10倍。日本尼桑、德國大眾、意大利菲亞特等公司也逐漸建立了激光表面淬火生產線，通過激光表面改性提高汽車零部件的耐磨性。德國MAN B&W公司采用激光淬火增加40/54和L58/64型船用柴油機氣缸套內壁的耐磨性。美國對軍用潛水艇、飛行器等的重載大齒輪進行激光表面淬火處理，極大避免了常規熱處理工藝易造成的大變形、高噪聲等問題的出現。
圖1.關鍵軸類零件的激光淬火
目前，國內激光淬火技術的應用日益廣泛，已逐步用于汽車、航空航天、能源、石化、冶金等工業領域，對各種軸體類、套筒類、齒輪類、葉片類零件，均取得了良好的強化效果，逐步取代原有的火焰淬火、感應淬火工藝。近年來，中國的新能源、高速鐵路取得了突飛猛進的發展，為中國經濟轉型奠定了堅實的基礎，同時也出現了許多亟待攻克的技術難題，特別是軸承、鋼軌的損傷等。華中科大、武漢新瑞達等單位與鐵路系統合作，開展鋼軌激光淬火強化技術研究，實現了鋼軌型面檢查和輪廓智能識別，研發了國際上首臺鋼軌激光淬火強化工程車，通過了國家鐵路產品質量監督檢驗中心的性能考核。浙江工業大學等單位聯合開發了大型風電主軸軸承的激光淬火計劃，淬硬層深度達3mm以上。
激光熔覆技術可以有效對易磨易損零部件新品進行表面強化，同時還可對已失效零部件進行尺寸恢復，并進一步提高其表面性能。自美國AVCO公司在上世紀70年代對汽車發動機的一些易磨損零部件通過激光熔覆來制備表面強化涂層后，激光熔覆技術在汽車、動力裝備、軌道等領域得到廣泛應用。日本尼桑公司運用激光增材再制造技術成功修復了鋁基發動機葉片。美國Optomec Design公司成功把激光增材再制造技術商用化，批量修復了T700海軍飛機發動機的磨損失效零件，節約了大量軍費并提高了修復效率。目前，中國激光熔覆技術經過數十年的發展，已從實驗室進入實際工業應用中，在航空航天、動力裝備、機械工業、石油與汽車工業等行業得到了廣泛應用。西北工業大學開展了鈦合金零件的激光修復工作，分析了再制造件的組織、拉伸力學性能以及低周疲勞性能，并采用合適的熱處理制度對修復零件進行了熱處理，成功修復了航空零部件。浙江工業大學針對不同材料、不同功率機組的汽輪機部件，將激光熔覆技術應用于汽輪機葉片的強化和汽輪機轉子的修復（圖2），替代表面鍍鉻、火焰淬火、感應淬火等強化工藝和電弧堆焊修復，有效克服了傳統技術的污染、變形、斷裂及質量不穩定等問題，大幅度提高了汽輪機部件的使用壽命，該技術已在國內汽輪機骨干企業成功應用了十余年，大幅降低了葉片、轉子的報廢率，提高了機組運行壽命，延長大修期，減少設備停運造成的損失，增加了機組的技術附加值和市場競爭力。華中科技大學在發動機排氣閥的閥門座表面采用激光熔覆技術熔覆NiCrBSi和CoCrW合金，得到了高性能的組織結構，使得閥門座表面的耐磨性和耐蝕性提高到原來的3-4倍。
圖2. 激光表面強化后的汽輪機機組葉片
激光沖擊強化技術在航空航天、船舶、汽車、石油化工、裝備制造、核工業和高端模具等眾多機械制造領域具有廣闊的應用前景。據統計，在航空航天和船舶領域，49%的噴氣發動機構件損傷由疲勞失效造成，其中，葉片、機匣和傳動部件等是最易發生疲勞斷裂的零部件，如圖3所示。激光沖擊強化技術已成為改善發動機關鍵零部件疲勞壽命的必要手段。由美國空軍牽頭的“高周疲勞科學與技術研究”計劃已將激光沖擊強化技術列為第四代戰機發動機76項關鍵技術之一。到2009年，F22戰斗機上需要經過激光沖擊強化處理的整體葉盤比例高達75%。
圖3. 航空發動機失效方式分布及部件對高周疲勞的敏感性
中國于20世紀90年代開始開展激光沖擊強化技術方面的研究和應用，至今已取得了顯著的成就。隨著激光器技術的進步和技術理論的不斷成熟，中國逐漸將激光沖擊強化技術應用到工程實踐中。2011年，沈陽自動化研究所成功開發了中國第一臺工業應用級整體葉盤激光沖擊強化系統，填補了中國在工業應用激光器制造方面的空白，也用于存在微小裂紋的鍛壓模具，激光沖擊強化處理后能夠有效控制模具中裂紋的擴展速率，對節約模具生產成本和縮短停機維修時間具有重要意義。西安天瑞達光電技術有限責任公司成功通過了GE公司葉片激光沖擊強化全球直接供應商認證，成為了全球第三個、美國本土外唯一的燃氣輪機葉片強化供應商，在新加坡ARTC(先進再制造技術中心)建成了激光沖擊強化加工線，全面開展激光沖擊強化服務于國際業務。此外，江蘇大學在激光沖擊強化理論方面也做了大量實驗研究，為激光沖擊強化技術的發展做出了重大貢獻，也是中國最早開展激光沖擊強化技術的先驅者之一。
激光表面改性技術的發展趨勢
◎激光表面改性專用材料技術
中國在上世紀90年代開始進行激光表面改性技術的研究，發展時間相對較短，相關基礎知識和理論研究不夠深入透徹。如在專用材料方面，目前市場上尚沒有適用于激光表面強化的專用合金材料，大部分仍然沿用熱噴涂粉末，而這些材料不適用于激光表面強化與再制造，由此帶來的氣孔、開裂難以避免。因此，需要深入研究基于遠平衡態的專用材料設計理論及科學的配比方法，建立各類專用材料體系，為激光表面強化與再制造技術的實施提供關鍵的基礎材料支撐。
◎激光復合表面改性技術
隨著高端裝備制造業對關鍵零部件表面性能要求的進一步提高，傳統單一激光作為熱源的表面改性技術發展遇到了瓶頸。為了能夠對激光表面改性過程中的傳熱傳質行為進行靈活地調控，多物理場協同作用的復合改性技術顯示出了其特有的優勢。目前激光復合表面改性技術包括激光與超音速沉積、電-磁場、感應加熱、超聲振動、（電）化學的復合以及多層梯度復合改性技術。但是由于復合改性技術涉及到流場、溫度場、電磁場、動量場、化學反應等多物理場的耦合，因此有必要研究多物理場協同作用對激光表面改性非平衡過程的影響機理，建立復合場工藝、激光工藝和改性層性能之間的對應關系。
◎面向現場的大面積激光再制造技術
大型機械裝備往往由于運行過程中的局部區域磨損、腐蝕、疲勞損傷或加工制造過程中的超差而導致失效，嚴重的引起停機，帶來巨大的經濟損失。部分可拆卸的零部件通過返廠維修或運送至專業維修點進行修復，造成人力、物力、財力的浪費，更主要的是耗時很長，嚴重影響生產效率。對體積龐大、不易拆卸的零部件，則只能尋求現場維修技術。對于那些不易拆卸的重大裝備關鍵部件，迫切需要一種方便靈活、高效高性能，能適應現場復雜工況的激光現場再制造技術。
◎激光表面改性裝備的國產化與智能化
目前中國科研院所和工業上用于高質量激光表面改性的激光器大多為國外品牌。相較于國內的產品，國外的激光器性能更佳、運行更穩定。但國外激光器價格較高，而且一些核心部件受制于人。此外，國外進口產品的采購周期較長，往往對技術的發展和研發產生較大的影響。因此，后續需要通過自主研發，實現激光器成套裝備核心部件的國產化制造。國內開發的大功率激光制造系統還需進一步集成化、智能化及信息化。重點通過光、機、電、材料、工藝、制造、控制、信息、網絡各學科的深度融合，連接上下游研究單位和企業進行協同攻關，實現對溫度、材料、尺寸位置及表面質量的智能化控制，并建立激光表面改性專用材料庫及工藝數據庫，集成出系列化成套設備，實現激光表面改性裝備智能化生產。
久恒光電摘編自《中國激光界》2020.3月刊；
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