1 引言

利用激光高能束對材料表面進行處理的技術是近年來迅速發展起來的材料表面處理新技術，其原理就是利用激光束作為熱源，使材料表面在加熱或融化后快速冷卻，從而改變材料表面的化學成分和組織結構，實現對材料的表面改性。

激光表面改性技術的特點:熱源的能量密度高、非接觸式加熱、熱影響區小、對工件基材的性能及尺寸影響小、工藝可控性強、環保等優點。近年來，隨著材料表面性能要求的進一步提高，新能源技術逐步完善，激光表面改性技術的應用領域越來越廣闊。但是激光表面改性技術與傳統表面堆焊和噴涂相比，成本較高，而且制備不同成分的表面合金層需要的粉末合金和工藝參數各不相同，這些參數都需要進一步進行探索研究，這也在一定程度上制約了該技術的發展。

2 激光表面改性技術及應用

激光表面改性技術包括多種工藝：激光淬火、激光表面合金化、激光表面熔敷與激光快速熔凝。目前在汽車制造及加工、精密機械制造及加工行業，激光表面改性技術已有很廣泛的應用。表1為各種激光表面改性工藝的特點。

表1 激光表面改性工藝特點

2.1 激光淬火

激光淬火是最早應用于金屬材料表面強化的激光處理技術。激光淬火是以高能量密度的激光束快速照射工件，使其表面溫度迅速上升到AC3之上(低于熔點)，形成奧氏體。當激光束移開后，工件快速自冷，形成馬氏體組織，實現材料的局部相變硬化，顯著提高金屬材料表面的硬度和耐磨性。蔡利芳[3]等人利用不同的激光功率對ZL109合金進行了試驗，隨著激光功率的增大，硬度提高了40～100HV，耐磨性提高了1.6～2.2倍。

2.2 激光表面合金化

激光表面合金化是在高能束激光的作用下，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，只在融化區和很小的熱影響區內發生成分、組織和性能的變化，對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間和激光的功率來控制，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，所以偏析小，并且細化晶粒效果顯著。從而提高表層的耐磨性、耐蝕性和抗氧化性等。蔡利芳等人以si粉作為涂層材料，采用高功率CO2激光器進行表面合金化處理，在鑄造鋁合金的表面制備了高硅AL-Si合金涂層，所制備涂層表面平整、無氣孔、無裂紋，與基體呈冶金結合，其硬度和耐磨性均顯著提高。

2.3 激光表面熔敷

激光表面熔敷是指將所需合金粉末經過激光熔化后，涂敷在金屬表面，使涂層與基體之間形成冶金結合，熔敷層稀釋度低但結合力強。顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化和電氣特性。與激光表面合金化不同的是要求基體對表層合金的稀釋度為最小，通常選擇硬度高、耐磨、耐熱和耐腐蝕性能好的材料作為覆層材料。菅麗娜[4]等人以Cr-Ni-Si合金粉末為原料，利用激光熔敷技術在鈦合金表面上制得了C13Ni5Si2基金屬硅化物，在干滑動磨損條件下測試了該涂層的耐磨性能，結果表明激光熔敷Cr13Ni5Si2基金屬硅化物主要由初生樹枝晶及少量共晶組成，涂層在干滑動磨損狀況下具有很好的耐磨性能。

2.4 激光快速熔凝

激光快速熔凝是用高功率密度的激光，在極短的時間內照射金屬表面，使金屬表面局部區域在瞬間被加熱到較高的溫度使之融化。然后借助液態金屬基體的吸熱和傳導作用，使已融化的表層金屬快速凝固。得到的組織是鑄態組織，其硬度較高，耐磨性亦較好。任旭東[5]等人選用不同涂層對QT700曲軸激光快速熔凝處理，研究快速熔凝條件下，QT700曲軸的硬度和表面殘余應力的變化。結果表明，在激光快速熔凝過程中，涂層的表面硬度和表面應力都顯著提高。經過激光快速熔凝后，在曲軸試件表面能形成厚度為1.0mm的硬化層，其硬度最大能達到588HV。激光脈沖功率從2.6GW/cm提高到3.5GW/cm時，曲軸表面殘余應力由316MPa提高到490MPa。

3 鍋爐、壓力容器制造中的應用前景

氣化爐是煤化工行業的重要設備，主要作用是將煤粉轉化成合成氣。氣化爐工作環境溫度高，介質腐蝕性、氧化性及沖刷性強。所以要求氣化爐內表面具有耐高溫氧化、耐腐蝕及耐沖刷性能。目前氣化爐內表面普遍采用堆焊工藝，堆焊一層耐高溫氧化、耐腐蝕、耐沖刷合金。但加工效率低，工藝控制不穩定，形成的堆焊層厚度不均勻。若是采用激光表面熔敷或激光表面合金化在氣化爐基體上制備耐高溫氧化、耐腐蝕及耐沖刷的合金層，工藝可控性強，基體對表層合金的稀釋度很小，合金層的性能穩定，厚度均勻且加工效率高，大大提高設備的安全與使用性能。

水冷壁是電站鍋爐的主要受熱部分，分布于爐膛的四周。它的內部為流動的水或蒸汽，外部接受鍋爐爐膛火焰的輻射和粉煤顆粒的沖刷與磨損。水冷壁外壁通常采用噴涂合金工藝。在鍋爐運行的過程中，水冷壁表面涂層經常出現脫落現象?？衫眉す獗砻嫒鄯蠡蚣す獗砻婧辖鸹谒浔谕獗砻嬷苽淠透邷?、耐沖刷的冶金結合層，可減少水冷壁出現爆裂現象，大大提高水冷壁的使用壽命。

4 結論

利用激光表面改性技術可以在一些價格便宜且表面性能差的金屬表面制備合金層，用來代替價格昂貴的金屬，節約貴金屬材料，使普通材料獲得更大的應用價值，從而大幅度降低成本。激光表面改性技術無污染特點，對環保幾乎沒有負面效應，明顯的性能優勢將使激光表面改性技術具有更廣闊的應用和發展前景。

摘自：<<激光表面改性技術及其應用綜述>>

作者：殷建濤;衛軍;楊金;

來源：知網研學