1 引言

利用激光高能束對(duì)材料表面進(jìn)行處理的技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的材料表面處理新技術(shù)，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(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的表面改性。

激光表面改性技術(shù)的特點(diǎn):熱源的能量密度高、非接觸式加熱、熱影響區(qū)小、對(duì)工件基材的性能及尺寸影響小、工藝可控性強(qiáng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著材料表面性能要求的進(jìn)一步提高，新能源技術(shù)逐步完善，激光表面改性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣闊。但是激光表面改性技術(shù)與傳統(tǒng)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(shù)各不相同，這些參數(shù)都需要進(jìn)一步進(jìn)行探索研究，這也在一定程度上制約了該技術(shù)的發(fā)展。

2 激光表面改性技術(shù)及應(yīng)用

激光表面改性技術(shù)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(jī)械制造及加工行業(yè)，激光表面改性技術(shù)已有很廣泛的應(yīng)用。表1為各種激光表面改性工藝的特點(diǎn)。

表1 激光表面改性工藝特點(diǎn)

2.1 激光淬火

激光淬火是最早應(yīng)用于金屬材料表面強(qiáng)化的激光處理技術(shù)。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(diǎn))，形成奧氏體。當(dāng)激光束移開(kāi)后，工件快速自冷，形成馬氏體組織，實(shí)現(xiàn)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(duì)ZL109合金進(jìn)行了試驗(yàn)，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(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)間和激光的功率來(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，所以偏析小，并且細(xì)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(jìn)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(wú)氣孔、無(wú)裂紋，與基體呈冶金結(jié)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(jīng)過(guò)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(jié)合，熔敷層稀釋度低但結(jié)合力強(qiáng)。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(duì)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(shù)在鈦合金表面上制得了C13Ni5Si2基金屬硅化物，在干滑動(dòng)磨損條件下測(cè)試了該涂層的耐磨性能，結(jié)果表明激光熔敷Cr13Ni5Si2基金屬硅化物主要由初生樹(shù)枝晶及少量共晶組成，涂層在干滑動(dòng)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(shí)間內(nèi)照射金屬表面，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到較高的溫度使之融化。然后借助液態(tài)金屬基體的吸熱和傳導(dǎo)作用，使已融化的表層金屬快速凝固。得到的組織是鑄態(tài)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(duì)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(yīng)力的變化。結(jié)果表明，在激光快速熔凝過(guò)程中，涂層的表面硬度和表面應(yīng)力都顯著提高。經(jīng)過(guò)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(dá)到588HV。激光脈沖功率從2.6GW/cm提高到3.5GW/cm時(shí)，曲軸表面殘余應(yīng)力由316MPa提高到490MPa。

3 鍋爐、壓力容器制造中的應(yīng)用前景

氣化爐是煤化工行業(yè)的重要設(shè)備，主要作用是將煤粉轉(zhuǎn)化成合成氣。氣化爐工作環(huán)境溫度高，介質(zhì)腐蝕性、氧化性及沖刷性強(qiáng)。所以要求氣化爐內(nèi)表面具有耐高溫氧化、耐腐蝕及耐沖刷性能。目前氣化爐內(nèi)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(wěn)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(qiáng)，基體對(duì)表層合金的稀釋度很小，合金層的性能穩(wěn)定，厚度均勻且加工效率高，大大提高設(shè)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(nèi)部為流動(dòng)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(yùn)行的過(guò)程中，水冷壁表面涂層經(jīng)常出現(xiàn)脫落現(xiàn)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亍⒛蜎_刷的冶金結(jié)合層，可減少水冷壁出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，大大提高水冷壁的使用壽命。

4 結(jié)論

利用激光表面改性技術(shù)可以在一些價(jià)格便宜且表面性能差的金屬表面制備合金層，用來(lái)代替價(jià)格昂貴的金屬，節(jié)約貴金屬材料，使普通材料獲得更大的應(yīng)用價(jià)值，從而大幅度降低成本。激光表面改性技術(shù)無(wú)污染特點(diǎn)，對(duì)環(huán)保幾乎沒(méi)有負(fù)面效應(yīng)，明顯的性能優(yōu)勢(shì)將使激光表面改性技術(shù)具有更廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

摘自：<<激光表面改性技術(shù)及其應(yīng)用綜述>>

作者：殷建濤;衛(wèi)軍;楊金;

來(lái)源：知網(wǎng)研學(xué)