模具激光表面處理的研究現狀及發展趨勢

楊化雨，馬云飛，張嘉城，王新云，王愛華，張茂

1.華中科技大學材料科學與工程學院 湖北武漢 430074

2.材料成形與模具技術國家重點實驗室 湖北武漢 430074

1 序言

模具是工業生產中不可或缺的基礎裝備，被稱為“工業之母”，在汽車、家電、交通、國防等關鍵領域應用廣泛。近年來，我國的模具市場飛速發展，銷售總額逐年增長，模具產量已躍居世界前列，我國已成為世界上主要的模具制造國和出口國之一[1]。然而，國產模具的使用壽命較低，僅為先進國家的20%～50%，且國產模具的制造精度尚有較大提升空間，很多高性能、高精度的模具仍然依賴于進口[2]。因此，提高模具使用壽命和制造精度成為了我國模具制造產業亟待解決的問題。

當前，我國制造業正在經歷深度轉型升級，亟待加快機械、航空、船舶、汽車、輕工及電子等行業生產設備的智能化改造，提高精準制造、敏捷制造能力，邁向制造強國行列。在此背景下，高附加值、高技術壁壘的高端精密加工技術成為了國家重點研發方向之一。作為一種典型的精密加工技術，激光表面處理技術不但具有成本低、效率高、應用領域廣等特點，而且還很容易實現自動化生產，優勢十分顯著。

激光表面處理技術是將高能量密度的激光束作用在工件表面，通過物理冶金反應，在表面形成強化層，以此提高工件的耐磨性、耐熱性、耐蝕性、抗熱疲勞和抗氧化等一系列性能[3]。隨著激光表面處理技術的飛速發展，其技術平臺也越來越廣泛。從最初的激光表面相變強化逐步發展到激光合金化、激光熔凝、激光熔覆、激光清洗及激光3D打印等[4]。目前，作為一種新興的表面處理技術，激光表面處理已經成為傳統產品高端化改造的關鍵支撐技術之一，并逐步占據越來越重要的地位。一方面，激光表面處理技術可以顯著改善材料表面性能，強化表面特性，有效解決傳統整體式模具表面處理技術所引發的變形、開裂、污染大及能耗多等問題；另一方面，激光表面處理是一種綠色低成本的技術，可以將廉價低性能的材料加工為高性能強化材料，同時不需要冷卻介質，因此大大降低了能源損耗和環境污染[4]。

2 模具表面處理的主要問題

模具的制造技術水平是衡量一個國家制造業水平的重要指標。在工業生產中，模具產品的性能和使用壽命受到模具表面處理工藝的直接影響，而傳統表面處理工藝難以避免地會在模具中造成不同形式的缺陷問題。例如，在表面熱處理中，若模具的各部分在升溫和降溫時不能自由伸縮，則模具內部在熱處理過程中或是熱處理完成后會存在熱應力，模具因此會產生變形，甚至是破壞。這種形式的缺陷問題稱為熱變形，是模具表面處理過程的主要缺陷之一。除熱變形外，還可能出現淬火裂紋、氧化脫碳及磨損等缺陷，在實際生產過程中引發諸多問題，如圖1所示。因此，如何提高模具表面處理技術水平是一個值得研究的課題。

圖1 模具熱處理過程中的常見缺陷

3 激光表面處理技術的優勢

激光是一種相位一致、波長一定、方向性極強的電磁波，具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性。激光表面處理技術的原理就是將聚焦后的激光束調整離焦量后直接照射在材料表面，通過局部快速加熱工件以實現組織的極速奧氏體化或熔化，隨后在空氣中快速冷卻完成馬氏體相變，以改善材料的組織性能。由于激光光斑的作用區域范圍很小，所以工件其他未受熱區域依舊處于室溫狀態，因此工件內部存在極大的溫度梯度，這也為工件自淬火提供了條件。相比于其他常規表面處理技術，激光表面處理技術存在如下顯著優勢。

（1）與熱處理強化相比 在工業生產中，常用的水冷淬火、油冷淬火等工藝只能對工件進行整體強化，且工序復雜、生產周期長、使用壽命低。激光表面處理技術能量傳遞便捷，可對工件進行選擇性地局部加工，方便處理表面形狀復雜的工件，在很大程度上降低了生產成本。

（2）與表面堆焊相比 傳統堆焊技術在加工過程中熱輸入大，成形過程中可能會出現焊縫下榻、表面不平整等焊接缺陷[5]。然而，激光熔覆處理技術可瞬時完成加工任務，處理過的工件表面熱影響區和變形量遠小于堆焊技術，能夠極大地保證加工質量，降低能源消耗[6]。

（3）與熱噴涂相比 為改善材料表層組織性能，通常會使用熱噴涂或者等離子體噴涂等噴涂技術在工件表面制造涂層。這些涂層技術在噴涂過程中溫度極高，會在涂層內部產生諸多缺陷，如高孔隙率、涂層不均勻、耐蝕性降低等。激光表面處理過程的能量集中，對材料基底的熱輸入小。另外，利用激光重熔技術還能修復涂層缺陷，改善鍍層或噴涂層的性能[7]。

（4）與滲碳、滲氮相比 作為機械傳動系統的核心結構的齒輪件，由于其耐磨性是確保傳動系統正常可靠工作的重要指標，所以通常會使用滲碳、滲氮處理工藝來硬化齒輪表面。但是，傳統的滲碳工藝溫度通常保持在930℃，滲氮工藝的保溫溫度通常在400～600℃，這兩種生產工藝的整體周期較長，生產效率不高。激光滲碳技術利用脈沖波激光器，在局限于近表面區域將預先沉積或共沉積的合金元素與部分基體在很短的相互作用時間內快速熔化、混合和凝固，形成一個合金化區。這種技術不需要對工件整體加熱，且作用時間短、速度快，大大提高了生產效率。

（5）智能化程度高 工藝參數控制是保證表面處理質量的關鍵過程。傳統表面處理方法的工藝參數控制速度慢、精度低。目前，激光表面處理技術已經與自動控制技術緊密結合，工藝參數可調節性好，控制精準。如激光表面處理技術與機器人系統耦合，能使表面處理生產線更具柔性化、自動化，充分發揮激光加工精益、敏捷和安全的技術優勢[8]。目前，智能化激光表面處理生產線逐步取得進展，已經應用于汽車、航空、電子等領域，如圖2所示。

圖2 激光表面處理技術在不同行業的應用

4 模具激光表面處理技術的主要工藝

模具激光表面處理的主要工藝可分為激光表面淬火、激光熔覆、激光熔凝和激光合金化等。

4.1 激光表面淬火

在模具生產中，不僅要追求硬度的提升，還要考慮沖擊韌度要求。大部分模具加工硬化方法是使材料整體變硬、強度上升，但同時容易使模具的脆性增強，加大裂紋、斷裂等缺陷的產生傾向。激光表面淬火又稱為激光相變硬化，其原理是在零件表面形成一層覆蓋基體的淬火強化層，使模具形成類似雞蛋“硬包軟”的表面硬、內部韌的復合結構。這種結構不僅保證了模具的整體沖擊韌度，使之不易發生沖擊斷裂等，還提升了表面硬度，從而改善了耐磨損性能，進而實現了模具使用壽命的提升。激光表面淬火裝置的工作原理[9]如圖3所示。

圖3 激光表面淬火裝置工作原理[10]

在工業發達國家，激光表面淬火的應用已經普遍化和成熟化。例如，通過激光表面淬火來提高汽車零部件的耐磨性，增加船用柴油機氣缸套內壁的耐磨性，規避重載大齒輪常規熱處理工藝可能造成的大變形、高污染問題等。在我國，激光表面淬火技術于20世紀80年代開始在汽車發動機氣缸體、缸套等零部件上開展應用[10]。經過多年發展，激光表面淬火技術已拓展應用于航空航天、能源、石化及冶金等工業領域，對軸體類、套筒類、齒輪類、葉片類及模具等零件均取得了良好的強化效果。激光表面淬火與傳統火焰淬火的性能對比[11]見表1。從表1可看出，激光表面淬火工藝大大提高了工件的使用壽命，降低了廢品率，且工件表面硬度比傳統火焰淬火后的工件更高[12]。

表1 激光表面淬火與傳統火焰淬火性能對比[11]

王超等[12]研究了掃描速度對MoCr鑄鐵表面激光淬火組織及性能的影響，發現激光淬硬層硬度和表面耐磨性能隨著激光掃描速度的增加而增強。李云濤等[13]采用不同激光功率對Cr12MoV鋼進行激光表面淬火，分析了激光功率對Cr12MoV鋼淬火層顯微硬度及顯微組織的影響，并確定了在掃描速度和光斑尺寸不變的情況下，激光器最佳輸出功率為2100W。張亞龍等[14]發現，H13鋼經過激光淬火后，其微觀組織結構呈現出梯度變化的特征，且淬硬層的晶粒細化明顯，并出現大量位錯和孿晶等亞結構。丁金喜[15]研究了Cr12MoV鋼寬帶激光淬火組織的回火性能，發現在各回火溫度下，經激光表面淬頭樣品的硬度值均高于常規熱處理的硬度值，激光淬火組織的回火穩定性明顯提高。QIN等[16]研究了通過激光表面淬火后的鎳鋁青銅合金的顯微組織改性及耐蝕性能改善效果，發現激光表面淬火促進了元素的均勻化分布，并在合金表面形成了一層保護膜，腐蝕速率比鑄態的鎳鋁青銅合金降低了約42.6%，如圖4所示。

圖4 鎳鋁青銅合金顯微組織

4.2 激光熔覆

激光熔覆工藝始于20世紀70年代，是一種高精度成形與低損傷控性的表面強化技術，可賦予工件表面更高的性能，如耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化特性等[17]。影響激光熔覆的因素包括熔覆層材料的原始成分、基材成分和性能，以及激光熔覆的工藝參數。激光熔覆層通常由與基體結合強度高的底層、抗裂性好的中間層，以及抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕的面層組成。激光熔覆能保證設備的安全性能和使用性能，因此工業生產中常用其對空氣螺桿壓縮機殼體、陰陽轉子、輪盤、齒輪、曲軸及空壓機葉輪等零部件進行修復[18-20]。姜明明等[21]使用激光熔覆技術在機械零件基體表面制備高熵合金涂層，發現激光熔覆能夠使涂層與基體實現良好的冶金結合，從而大大提升了表面耐磨損性能。李倩等[22]研究了激光熔覆WC增強Ni基復合涂層材料體系，重點討論了WC在復合涂層中的分布規律和存在形式，提出了超聲波振動輔助和感應加熱輔助等新型激光熔覆技術。趙菲等[23]利用激光熔覆技術在表面制備了H13/VC復合涂層，通過添加超細VC顆粒改善Q235合金表面激光熔覆H13涂層的顯微組織，提高了合金表面的耐磨性。圖5所示為利用激光熔覆技術來修復損壞的曲軸零件[24]。

圖5 曲軸段的激光熔覆[24]

激光熔覆過程中劇烈的溫度場變化伴隨著應力、應變演化，可能會導致零件具有高裂紋敏感性。針對這個問題，周嘉利等[25]研究了激光熔覆不同激光掃描路徑及工藝參數對Fe基雙層涂層組織和殘余應力的影響，發現工藝參數對涂層殘余應力的大小和分布規律有顯著影響，并得出當激光掃描路徑為輪廓偏置、激光功率為1.8kW、掃描速度為0.02m/s時，涂層具有最優的殘余應力分布和成形質量。德國佛勞恩霍夫激光研究所與德國亞琛聯合科技公司提出了超高速激光熔覆技術，研究了不同加工參數對涂層厚度和黏結區的影響。通過優化激光焦點與粉末、基體的位置關系，提高了粉末利用率，從而有效提高了激光熔覆效率[26]。

4.3 激光熔凝

激光熔凝是采用近于聚焦的激光束照射，使材料局部區域在很短的時間內被加熱熔化，然后依靠自身冷卻快速凝固。在材料快速凝固的過程中，金屬表層組織得到強烈細化并產生大量亞穩金屬相及偽共晶體，使熔凝層的力學性能得到改善，可增強材料表層的耐磨性和耐蝕性[27]。激光熔凝設備[28]分為半導體激光裝備和激光熔凝工作頭兩部分，如圖6所示。該技術可用于處理模具表面的各種缺陷，如鑄造裂紋、砂眼等。

圖6 激光熔凝設備[28]

由于激光表面熔凝要先熔化金屬，所以在處理過程中會存在熔池的傳熱、傳質等動力學現象。這些動力學現象會直接影響模具內部的溫度分布、組織均勻性以及缺陷的產生傾向。龐銘等[29]研究了激光功率對AZ80D鎂合金激光熔凝區域性能的影響，發現隨激光功率的增加，由于低熔物中間相的熔化、擴散到基體等綜合因素，因此熱影響區域的中間相致密度會降低。在鎂合金熔凝過程中，空間區域的冷卻速度差異會導致熔池出現分層現象。MENG等[28]利用半導體激光對AerMet100鋼表面進行熔凝處理，觀察到經過激光熔凝處理后未產生明顯的物相改變，熔凝態的AerMet100鋼中奧氏體含量減少，馬氏體含量增加，且在激光功率為1650W時，熔凝層的硬度、耐蝕性及耐磨性達到最優。TOMAN J等[30]利用激光熔凝研發全致密的單晶磁性形狀記憶合金，通過激光在基底單晶上熔化粉末來實現Ni-Mn-Ga的外延生長，規避了多晶織構局限性和對孔隙率的需求。陸丹華等[31]研究了激光熔凝技術前處理對鈦合金表面沉積層與基體結合力的影響機理，并與傳統表面處理后的銅沉積過程進行對比分析。結果表明，激光熔凝細化了基體組織，削弱了沉積初期銅原子的擇優生長，增強了原子隨機取向的結晶過程。因此，鈦合金表面沉積速率更快，獲得的沉積層厚度更大、孔隙更少、組織更致密。

4.4 激光合金化

激光合金化與激光熔凝原理類似，都是使激光束按照一定的速度輻照，使材料表面快速熔凝。然而，激光合金化需要在形成熔池的同時加入合金元素或強化粒子，使其熔入熔池或在熔池中按一定規律分布，從而可在材料表面獲得以合金相或陶瓷顆粒增強的精細鑄態組織層，從而提高材料的表面耐磨性或耐蝕性。

李海濤等[32]利用激光合金化技術在45鋼表面制備了碳合金化層，并與利用傳統氣體滲碳技術制備的滲碳層進行了對比，發現激光處理的合金化層為針狀馬氏體、碳化物及少量殘留奧氏體，組織更加細小，且其表層硬度比心部硬度高出14%。王碩煜等[33]采用激光合金化技術在球墨鑄鐵QT600-3表面制備鎳基合金強化層，研究了不同激光掃描速率對合金化層物相、微觀結構、力學性能等方面的影響，得出合金層的顯微硬度是由細晶強化、固溶強化以及碳化物類型等多因素共同決定的，所得到的Ni基合金化層主要由NiCx、γ-Ni和Fe3C相組成，初生γ-Ni相以樹枝晶方式長大，隨著掃描速率增大，樹枝晶尺寸變小，組織更致密。GOU等[34]采用激光合金化技術實現了CrCoFeNi面心立方高熵合金的表面鋁合金化，鋁合金化導致相穩定性的偏移，在面心立方高熵合金表面原位生成了Al1.5CoCrFeNi體心立方高熵合金。結合良好的體心立方高熵合金層硬度高達536HV，合金試樣的高硬表面導致其磨損率比原始試樣低得多。這項技術為實現面心立方高熵合金表面硬化提供了新的思路和方向。LI等[35]將NiCoCrAlY-SiC預置粉末利用激光合金化技術合成TA2鈦合金硬質復合層，發現激光合金層中產生了非晶態相。STAIA M H等[36]研究了激光合金化過程中掃描速度對A-356鋁合金的影響，結果顯示掃描速度對激光合金區范圍、微觀結構形態和硬質顆粒分布有顯著影響。當掃描速度從4m/min降低至1m/min時，激光束與金屬表面之間的相互作用時間增加，熔池的最大深度和橫截面積都會增加。 JIRU M G等[37]實現了鋁板與錳金屬粉末的激光表面合金化，結果表明，激光合金化的深度隨激光功率的增加而增加，鋁錳合金的摩擦系數小于未合金化基體材料的摩擦系數，激光表面合金化使耐磨性提高了30%，兩種試樣的磨損表面形態如圖7所示。

5 模具激光表面處理技術前景展望

將激光表面處理技術應用在模具表面處理中是當前模具加工制造行業的一個熱門研究方向。經過幾十年的努力，我國的模具激光表面處理技術已經取得了重大突破，許多關鍵技術的應用也越來越成熟，已實現了模具激光表面處理的自動化生產和產業應用。然而，在發展過程中也存在一些問題：首先，我國激光表面處理技術的研究起步相對于歐美國家較晚，加之我國在研究初期存在“重應用、輕機理”現象，導致在這一方向的基礎知識和理論研究不夠透徹；其次，我國激光產業市場起步較晚，產業化進程緩慢，裝備核心部件國產化程度較低，一些高端激光表面處理技術所需要的激光器設備嚴重依賴進口；另外，因為模具激光表面處理技術裝備一次性投資很高，很多模具表面處理企業不愿進行技術升級，加工規模仍處于“小而散”的狀態，還未形成大規模的專業生產線，在很多企業中只是作為一種輔助加工手段。

圖7 試樣磨損表面形態

為解決現有高端裝備核心部件表面改性技術的行業共性問題，我國現已提出了激光與恒穩電-磁場及超音速動能場復合的激光表面改性新原理，并開發了相應的專用裝備及工藝[38]。在未來，我們可以研制開發激光表面改性質量控制系統，確保產業化的質量穩定性及可靠性；完善實用化喂料系統、多自由度的光束在線測溫監控系統及光束整形系統方面的專用裝置，由此可解決溫度場控制精確度問題，并為實現設備智能化、集成化提供有利條件；同時，以技術研發應用為目的，深入研究基礎理論，對工藝耦合機理進行深入探索。

隨著基礎理論、工藝技術和高端裝備的不斷創新，激光表面處理技術必將在我國模具制造工業中發揮更為重要的作用，為發展循環經濟、建設節約型社會提供技術支撐。