激光表面改性技术的发展应用现状及前景

    随着航空航天、新能源、轨道交通等领域高端装备的发展，对其使用部件的表面性能要求也逐渐提高，传统的感应、喷涂、喷丸、滚压等常规表面强化手段已很难胜任高性能设备的各种生产需求。而被现代工业誉为“万能加工工具”以及“未来制造系统共同的加工手段”的激光技术，逐渐被用于改善金属材料的表面性能和解决传统改性技术不能解决的问题。激光表面改性技术作为一种表面工程普适性技术，面向中国制造业转型升级的重大需求，直接服务于重大装备高端部件的性能提升和国产化制造。该技术的适用范围和应用领域非常广泛，包括矿山机械、石油化工、航空航天、能源动力、轨道交通、冶金、医疗器械、机床、发电、印刷、包装、模具以及制药等行业，具有巨大的应用前景。

    激光表面改性技术的特点

    激光表面改性技术能在成本较低的材料表面制备低价格高性能的表面涂层，对重要零件材料与性能的选择匹配、设计和制造具有重要意义。激光表面改性技术是表面工程制造中极具应用潜力的制造技术，它利用激光的高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特性，通过改变金属材料表面的组织结构和化学组成等对材料表面进行改性或合金化，从而达到改善材料表面性能的目的。常见的激光表面改性技术有激光淬火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆及激光冲击强化等。其中最具代表性的表面改性技术有激光淬火、激光熔覆及激光冲击强化。

    激光淬火是利用功率密度为10^4-10^5W/cm2的激光束对金属进行表面强化的方法。其原理是利用激光将被加工材料表面迅速加热，使其温度达到相变点以上但低于熔点，依靠金属材料自身传导快速达到淬火的目的。在材料自冷过程中，材料奥氏体化后以大于马氏体形成的临界冷却速度冷却下来，可以获得晶粒极细的马氏体和其他组织的高硬化层，其淬硬层中位错密度很高，表面形成压应力，使材料表层实现相变硬化，形成其它表面淬火技术达不到的表面成分、组织及性能的改变，从而对材料表面进行强化，提升材料的使用寿命。

    激光熔覆是通过高能量密度激光辐照基体使熔覆基体表面出现熔池，同时将合金材料以预置或同步送粉的方式送入熔池并快速凝固后形成界面冶金结合且稀释率极低的表面涂层，从而显著改善基体材料表面性能如耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等，达到材料表面强化，改善基材表面性能不足或修复缺损零件的目的，可在廉价金属材料表面制备出高性能覆层，降低成本，节约贵重金属材料。

    激光冲击强化是利用具有短脉冲、高峰值功率密度（>10^9W/cm2）特点的激光辐照提前涂覆有吸收保护层的金属表面，使吸收保护层发生爆炸性气化蒸发而产生高温（>10^7K）、高压（>1GPa）的等离子体，该等离子体受到约束层的约束后形成高压冲击波（GPa量级）向金属材料内部传播，利用冲击波的力效应在金属表层产生塑性变形，使表层金属微观组织发生变化，并在较深的厚度上残留压应力，从而显著提高金属材料抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀等性能。

    激光表面改性的技术需求及应用现状

    据统计，中国平均每年都会由于关键基础零部件失效造成巨大的装备故障损失（约占国民经济总产值的3％-5％）。其中，80％以上是因表面局部磨损、腐蚀等失效引起的，损失超过万亿元。因此，利用表面工程技术改善关键基础零部件表面使用性能对减少装备故障损失具有重要意义。作为极具应用潜力的表面工程技术，激光表面改性技术已被逐渐用于金属零部件的强化与修复上，在机械制造与维修、汽车制造、航空航天和石油化工等领域中得到广泛应用。

    激光淬火技术最为广泛的应用是发动机零件的表面强化。激光淬火几乎可以用于发动机的所有耐磨零件，如凸轮轴、曲轴、缸套、缸体缸孔、活塞环、活塞胀圈、排气门和阀座、离合器片、汽门摇臂、连杆、齿轮、轴承座等零件。美国的通用汽车公司在上世纪70年代就采用激光相变硬化处理汽车转向装置的内壁，建立了第一条汽车动力转向壳内腔二氧化碳激光表面淬火生产线，并在之后建成17条生产线，零件日处理量达到三万多件，可将其耐磨性提高近10倍。日本尼桑、德国大众、意大利菲亚特等公司也逐渐建立了激光表面淬火生产线，通过激光表面改性提高汽车零部件的耐磨性。德国MAN B&W公司采用激光淬火增加40/54和L58/64型船用柴油机气缸套内壁的耐磨性。美国对军用潜水艇、飞行器等的重载大齿轮进行激光表面淬火处理，极大避免了常规热处理工艺易造成的大变形、高噪声等问题的出现。

    目前，国内激光淬火技术的应用日益广泛，已逐步用于汽车、航空航天、能源、石化、冶金等工业领域，对各种轴体类、套筒类、齿轮类、叶片类零件，均取得了良好的强化效果，逐步取代原有的火焰淬火、感应淬火工艺。近年来，中国的新能源、高速铁路取得了突飞猛进的发展，为中国经济转型奠定了坚实的基础，同时也出现了许多亟待攻克的技术难题，特别是轴承、钢轨的损伤等。

    激光熔覆技术可以有效对易磨易损零部件新品进行表面强化，同时还可对已失效零部件进行尺寸恢复，并进一步提高其表面性能。自美国AVCO公司在上世纪70年代对汽车发动机的一些易磨损零部件通过激光熔覆来制备表面强化涂层后，激光熔覆技术在汽车、动力装备、轨道等领域得到广泛应用。日本尼桑公司运用激光增材再制造技术成功修复了铝基发动机叶片。美国Optomec Design公司成功把激光增材再制造技术商用化，批量修复了T700海军飞机发动机的磨损失效零件，节约了大量军费并提高了修复效率。

    目前，中国激光熔覆技术经过数十年的发展，已从实验室进入实际工业应用中，在航空航天、动力装备、机械工业、石油与汽车工业等行业得到了广泛应用。

    激光冲击强化技术在航空航天、船舶、汽车、石油化工、装备制造、核工业和高端模具等众多机械制造领域具有广阔的应用前景。据统计，在航空航天和船舶领域，49%的喷气发动机构件损伤由疲劳失效造成，其中，叶片、机匣和传动部件等是最易发生疲劳断裂的零部件。激光冲击强化技术已成为改善发动机关键零部件疲劳寿命的必要手段。由美国空军牵头的“高周疲劳科学与技术研究”计划已将激光冲击强化技术列为第四代战机发动机76项关键技术之一。到2009年，F22战斗机上需要经过激光冲击强化处理的整体叶盘比例高达75%。

    中国于20世纪90年代开始开展激光冲击强化技术方面的研究和应用，至今已取得了显著的成就。随着激光器技术的进步和技术理论的不断成熟，中国逐渐将激光冲击强化技术应用到工程实践中。用于存在微小裂纹的锻压模具，激光冲击强化处理后能够有效控制模具中裂纹的扩展速率，对节约模具生产成本和缩短停机维修时间具有重要意义。

    激光表面改性技术的发展趋势

    中国在上世纪90年代开始进行激光表面改性技术的研究，发展时间相对较短，相关基础知识和理论研究不够深入透彻。如在专用材料方面，目前市场上尚没有适用于激光表面强化的专用合金材料，大部分仍然沿用热喷涂粉末，而这些材料不适用于激光表面强化与再制造，由此带来的气孔、开裂难以避免。因此，需要深入研究基于远平衡态的专用材料设计理论及科学的配比方法，建立各类专用材料体系，为激光表面强化与再制造技术的实施提供关键的基础材料支撑。

    随着高端装备制造业对关键零部件表面性能要求的进一步提高，传统单一激光作为热源的表面改性技术发展遇到了瓶颈。为了能够对激光表面改性过程中的传热传质行为进行灵活地调控，多物理场协同作用的复合改性技术显示出了其特有的优势。目前激光复合表面改性技术包括激光与超音速沉积、电-磁场、感应加热、超声振动、（电）化学的复合以及多层梯度复合改性技术。但是由于复合改性技术涉及到流场、温度场、电磁场、动量场、化学反应等多物理场的耦合，因此有必要研究多物理场协同作用对激光表面改性非平衡过程的影响机理，建立复合场工艺、激光工艺和改性层性能之间的对应关系。

    大型机械装备往往由于运行过程中的局部区域磨损、腐蚀、疲劳损伤或加工制造过程中的超差而导致失效，严重的引起停机，带来巨大的经济损失。部分可拆卸的零部件通过返厂维修或运送至专业维修点进行修复，造成人力、物力、财力的浪费，更主要的是耗时很长，严重影响生产效率。对体积庞大、不易拆卸的零部件，则只能寻求现场维修技术。对于那些不易拆卸的重大装备关键部件，迫切需要一种方便灵活、高效高性能，能适应现场复杂工况的激光现场再制造技术。

    目前中国科研院所和工业上用于高质量激光表面改性的激光器大多为国外品牌。相较于国内的产品，国外的激光器性能更佳、运行更稳定。但国外激光器价格较高，而且一些核心部件受制于人。此外，国外进口产品的采购周期较长，往往对技术的发展和研发产生较大的影响。因此，后续需要通过自主研发，实现激光器成套装备核心部件的国产化制造。国内开发的大功率激光制造系统还需进一步集成化、智能化及信息化。重点通过光、机、电、材料、工艺、制造、控制、信息、网络各学科的深度融合，连接上下游研究单位和企业进行协同攻关，实现对温度、材料、尺寸位置及表面质量的智能化控制，并建立激光表面改性专用材料库及工艺数据库，集成出系列化成套设备，实现激光表面改性装备智能化生产。

文章来源于：激光界