激光表面處理技術在重工業領域的研究和應用進展

覃 敏

（廣東省佛山市南海區信息技術學校，廣東 佛山528225）

0 引言

20世紀70年代涌現出大功率激光器的新技術，激光表面處理技術得到全球研究激光加工相關機構的重視與研制開發，使其迅速進展成為一項集成光、機、電為一體的高新技術，廣泛應用在工業界。該表面加工技術主要用于強化零件表面，以提高金屬零件表面硬度，使零件的機械性能具有更好的耐磨性、更高的沖擊韌性和疲勞強度等優點，被譽為光加工時代的一個里程碑[1]。

激光表面處理技術是通過激光與材料的相互作用使材料表面發生物理化學變化，以使材料表面具有更好的機械性能。當高功率激光束作用于金屬表面時，金屬表面吸收激光能量并以極高的加熱速度（可以高達1010K/s）被加熱、熔化乃至氣化，在被加熱的表層與金屬基體之間將形成極高的溫度梯度，當激光停止作用時，金屬的良好導熱性將導致表面溫度以高達104～108K/s的速度冷卻，其高效率、高效益、低能耗及無污染的特點，符合在材料表面加工上得到迅速應用[2]。根據多年的研究和實踐，激光表面處理技術與傳統表面處理技術相比具有以下優點[3]：

（1）能量可操作性強，能夠有選擇地對被加工件表面進行局部強化處理和實現復雜零件加工；

（2）能量轉換效率高且集中，加工效率高，激光處理后熱變形小；

（3）激光部件體積小，易與自動化平臺集成實現流水線生產；

（4）無需處理介質，利于環保，同時操作簡單，生產重復性好；

（5）適用范圍廣，能夠對各類金屬和非金屬材料進行表面處理。

盡管激光表面處理技術在眾多行業特別是重工業領域得到廣泛應用，但其也具有一定的局限性。激光表面處理技術只能對薄平板進行處理。

本文主要介紹激光表面淬火、激光熔覆和激光沖擊硬化3種激光表面處理技術的原理和特點以及其在重工業領域中的應用范圍與發展前景。

1 激光表面處理技術的原理及應用

1.1 激光表面淬火原理與應用

激光表面淬火，如圖1所示，是用高能激光束照射到工件表面，使表層溫度迅速升高至相變點之上（低于熔點），由于金屬良好的導熱性，當激光束移開后，實現材料的相變硬化。

圖1 加工示意圖

在進行材料表面激光淬火前，需要對材料表面進行前期處理，在材料的局部表面進行傳統淬火等方式處理，不僅對從業者的身體健康造成傷害，而且會嚴重地污染環境，如：鹽浴加熱處理后，使用過的氯化鈉、氯化鈉、硝酸鉀等溶質以及水、油等冷卻劑會變成廢渣和廢液，極大地危害了環境。相反，如果采用激光淬火技術來處理，上述所產生的問題都可以迎刃而解，同時激光淬火由于具有熱循環過程快、自激冷卻的優點，不易對工件造成熱變形、開裂等現象，非常適合于深槽、尖角、盲孔、刀具刃部等對變形量要求小而復雜結構零件。激光淬火后的零件，立即使用，無需進行二次加工。因此在模具、齒輪及軸類等的表面強化要求高的行業激光淬火技術等到了深度的應用。相比于傳統工藝，激光淬火可使零件表面硬度可提高6% ～11%，耐磨性能可提高2～5倍[4]。例如，激光表面淬火能夠應用于發動機的活塞環、汽缸、輪軸等關鍵零件，進而大幅度提高其使用性能。在經澈光熱處理后，可直接在裝配線上進行安裝，不需要再進行后續處理。例如長春第一汽車制造廠等大型汽車企業配套激光熱處理生產線用于提高汽車關鍵零部件的使用壽命[5]。

1.2 激光熔覆原理與應用

激光熔覆，如圖2所示，是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節約了大量的貴重元素。

圖2 加工示意圖

激光熔覆的主要目的是為了提高零件耐腐蝕、耐磨及耐高溫氧化等綜合性能，同時降低制造成本，因此可以直接在廉價金屬表面進行處理。對被加工零件性能的不同要求可以選擇鎳基、鐵基、鈷基和金屬陶瓷等粉狀物質作為熔覆材料。

近年來，由于激光熔敷技術得到進一步發展，可以在不銹鋼、鈹銅、鋁合金及鈦合金等金屬表面進行加工，而且激光具備能量密度高，受熟范圍小的優勢，因此特別用于模具修復[6]。在汽車制造業里，汽車覆蓋件如駕駛室、車身等部件都是通過沖壓成型的，而機械沖壓對模具的磨損和破壞性很大。模具一旦磨損，沖壓出來的產品質量就會下降，為此必須更換新的模具，從而造成模具的浪費和消耗很大，如何提高模具的使用壽命成為該類企業降低生產成本、提高經濟效益的重要途徑和方法。此前，由于該類模具比較大，進行熱處理比較困難。很多企業往往不進行熱處理或采用火焰法進行處理，效果往往很不理想。應用激光熔覆技術，就很好地解決相關問題，減少企業相應的損失。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，因此激光熔覆技術應用前景十分廣闊。

1.3 激光沖擊硬化原理與應用

激光沖擊硬化（Laser Shock Proceing或Laser Shock Peening）簡稱LSP技術，如圖3所示，是一種利用激光沖擊波對材料表面進行改性，提高材料的抗疲勞、磨損應力腐蝕等性能的技術。當短脈沖（幾十納秒）高峰值功率密度（＞l0W/cm2）的激光輻射金屬靶材時，金屬表面吸收層吸收激光能量發生爆炸性汽化蒸發，產生高溫（＞10 000 K）、高壓（＞1 GPa）的等離子體，該等離子體受到約束層的約束時產生高強度壓力沖擊波，作用于金屬表面并向內部傳播。當沖擊波的峰值壓力超過被處理材料動態屈服強度時，材料表層就產生應變硬化，殘留很大的壓應力。這種新型的表面強化技術就是激光沖擊處理，由于其強化原理類似噴丸，因此也稱作激光噴丸[7]。

圖3 加工示意圖

激光沖擊強化主要從在基體表面上產生表面殘余壓應力和在基體內提高材料位錯密度兩方面提高材料的性能。在激光與材料相互作用過程中產生平行于材料表面的拉應力，并使材料發生塑性變形。隨著激光功率密度增加，殘余壓應力值越高，表面塑性變形也越大。殘余應力在疲勞載荷中起著平均應力的等效作用，殘余壓應力相當于負平均應力，對其疊加在外部的正值應力起到抵消作用，從而減小了有效局部負載，提高疲勞強度。因此，沖擊處理后由于壓應力的存在，使材料的抗疲勞壽命得以延長。而材料的位錯密度達到一定值之后再繼續增大就會使材料的屈服強度大幅度提高，這也必然導致抗疲勞壽命的延長。

激光沖擊處理具有應變影響層深，沖擊區域和壓力可控，對表面粗糙度影響小，易于自動化、無熱影響區和強化效果顯著等突出優點。與噴丸相比，激光沖擊處理獲得的殘余壓應力層可達1 mm，是噴丸的2～5倍。激光沖擊處理（LSP）能有效地強化鋼、鋁、鈦、鎳等金屬材料，特別是2024T3鋁合金經激光沖擊強化后，疲勞壽命提高4倍[7]。

2004年，美國激光沖擊技術公司（LSP Technologies，Inc.，LSPT）與美國空軍實驗室開展了F/A-22上F119發動機鈦合金損傷葉片激光沖擊強化修復研究，對具有微裂紋、疲勞強度不夠的損傷葉片，經過激光沖擊處理后，疲勞強度為413.7 MPa，完全滿足葉片使用的設計要求379 MPa，取得了巨大成功。此外，對葉片楔形根部進行激光沖擊處理后，其微動疲勞壽命至少提高25倍以上。目前，激光沖擊強化技術已大量用于F119-PW-100發動機整體葉盤等部件的生產。LSP公司還提出了對飛機蒙皮鉚接結構強化的專利，應用可移動激光設備在飛機裝配現場對鉚接后的鉚釘及其周圍強化，效果明顯。

2 對比分析

以上三種激光表面處理技術都比傳統表面處理技術有著明顯的優勢，因為激光表面處理技術是一種非接觸式處理方法，熱量集中、熱影響區小，加工件熱變形小，但各有優勢。激光表面淬火技術具有熱循環過程快、自激冷卻的優點，不易對工件造成熱變形、開裂等現象，非常適合于深槽、尖角、盲孔、刀具刃部等對變形量要求小而復雜結構零件；激光淬火后的零件，可立即使用，無需進行二次加工，因此在齒輪及軸類等的表面強化要求高的行業激光淬火技術等到了深度的應用。激光熔覆技術是運用在不銹鋼、鈹銅、鋁合金及鈦合金等金屬表面進行加工，而且激光具備能量密度高，受熟范圍小的優勢，因此特別用于模具修復。激光沖擊強化技術針對需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。適用于機械制造與維修、汽車制造、紡織機械、航海與航天和石油化工等領域。

3 結束語

綜上，激光表面處理技術的優點有：一方面由于激光發生裝置體積小，容易與自動化平臺集成，易于實現自動化生產，進而大大提高生產效率；另一方面，通過應用該技術，利用廉價材料進行表面機械性能提升，可使材料表面獲得各種很好的力學性能及電化學性能，能夠大量節約貴重材料及能源，為當代制造業的環保、清潔企業高效拓展生產提供新的方法，屬于綠色再制造工程。但從現實來看，應用激光的表面處理工程技術存在激光設備投資較大，回報率低，只有資金雄厚的國企在應用，同時有些技術還在研究當中，推廣、開發階段與實際生產使用還有技術上的差距。隨著國家對激光技術方面的投入研發以及科學技術的發展與進步，激光表面處理技術的前景將更加廣闊，將會貫穿工業、軍事、醫療、通信等眾多領域的產業鏈，精準洞察市場發展趨勢。

[1]晁明舉.金屬材料表面激光淬火和熔覆若干關鍵技術研究[D].鄭州：鄭州大學，2003.

[2]張春華，李春彥，張 松.H13模具鋼激光熔凝層的組織及性能[J].金屬熱處理，2004，29（1）：14-17.

[3]丁陽喜，周立志.激光表面處理技術的現狀及發展[J].材料熱處理，2007，36（6）：69-75.

[4]周 磊，李宇飛.航空材料的兩種激光表面處理技術[J].機床與液壓，2007，35（9）：31-37.

[5]許并杜.激光表面處理現狀與趨勢[J].材料熱處理，2012（2）：5-8.

[6]華晉偉.激光處理技術在機械工程中的應[J].工業技術，2011（24）：23-28.

[7]劉春閣，邱星武.激光硬化表面處理技術及其應用現狀[J].稀有金屬與硬質合金，2012，40（1）：133-137.