激光表面改性技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

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.中國船舶重工集團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實驗室 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、時間控制等特殊性能。隨著20世紀60年代第一臺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、加工時間短、速度快、無污染和操作簡單等優(yōu)點，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、化學、材料科學及先進制造技術(shù)等多方面的成果和知識結(jié)合起來的高新技術(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，材料表層對激光能量的吸收，除與激光功率密度、輻照時間有關(guān)外，還受激光束的模式、波長、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，具有很多獨特的優(yōu)點，如激光熔化后形成的組織均勻性很高，而晶粒非常細小，從而強化了合金，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到之處，其共性如下。

1）激光功率密度大，用激光束強化金屬加熱速度快（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）可實現(xiàn)局部加熱，加熱不受外界磁場的影響。

4）能精確控制加工條件，可實現(xiàn)在線加工，也易于與計算機聯(lián)接，實現(xiàn)自動化操作[7]。

2 激光表面改性關(guān)鍵技術(shù)與機理

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)，顯微組織呈位錯的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)類似于經(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，淬火層組織細密、強韌性好；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，從而使表面得到強化，在較大程度上增強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，因此偏析小，且細化晶粒效果顯著，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)點是在瞬態(tài)過程及區(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，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調(diào)質(zhì)態(tài)35CrMo鋼進行表面淬火處理。結(jié)果表明，當激光功率為1.6kW、2.4kW時，35CrMo鋼表層組織中存在未熔鐵素體，硬度比基體低，與GCr15鋼對磨后的磨損質(zhì)量變化率與基體幾乎相同，耐磨性較差；當激光功率為3.2kW、4.0kW時，表層組織全部為回火馬氏體，平均硬度可達到640HV，比常規(guī)水冷淬火后的硬度提高約20%，如圖3所示；當激光功率為3.2kW時，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；而當激光功率提高到4.0kW時，較高的馬氏體自回火程度導致硬度與耐磨性比激光功率為3.2kW時略有降低。

圖3 不同功率激光淬火后35CrMo鋼的截面硬度分布曲線

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45鋼進行表面處理，將組織形貌與硬度分布進行比較。在相同的總能量輸入、掃描區(qū)域和掃描時間下，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程存在晶界Cu偏析現(xiàn)象，對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稱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)三個區(qū)域，增大激光掃描速度時，熔池變窄，但三個區(qū)域的組織無顯著變化，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，熔池邊緣的晶界Cu含量（質(zhì)量分數(shù)）可達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為：熔池邊緣＞CDZ區(qū)＞熔池心部，銅偏析對腐蝕行為的影響機理如圖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 掃描速度對銅偏析影響的統(tǒng)計結(jié)果

圖8 銅偏析對鋁鋰合金腐蝕性為的影響機理

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其進行表面處理。在較高功率條件下進行激光熔凝，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間-增重曲線

圖10 典型試樣顯微硬度曲線

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工業(yè)純鋯（CP Zr）鍍鉻片進行處理，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個組織特征明顯不同的區(qū)域：兩個熔化區(qū)（MZs）、兩個固相轉(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)變而來的馬氏體板組成，而SSPTZ-2則由α＋β相冷卻而來，同時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。這種硬化主要歸因于Cr在α-Zr中的固溶強化和顯著的晶粒細化。

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具有較長的活化-鈍化區(qū)間，不銹鋼基體發(fā)生嚴重的晶界腐蝕和點蝕。

圖13 基體與合金熔覆層在HCl溶液中的極化曲線

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，該復合涂層與基體結(jié)合良好，具有較好的力學性能?；w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，當電流密度為5A/dm2時，復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

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。電化學測試表明，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溶液中的動態(tài)極化曲線

GAO Z T等[20]研究了CeO2對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，促進晶粒細化，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，激光表面改性技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛，對激光表面改性的性能要求也愈加苛刻，這對激光表面改性技術(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，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、小型集成化方向發(fā)展。

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

3）我國風能資源豐富，風力發(fā)電的應(yīng)用越來越廣泛，風機關(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提高防腐與耐磨性能具有廣泛應(yīng)用前景；此外，針對海洋工程設(shè)備的腐蝕問題，開發(fā)激光表面改性技術(shù)在海軍裝備、核電站與海上風電等領(lǐng)域的應(yīng)用。