覃 敏

（廣東省佛山市南海區(qū)信息技術(shù)學(xué)校，廣東 佛山528225）

0 引言

20世紀70年代涌現(xiàn)出大功率激光器的新技術(shù)，激光表面處理技術(shù)得到全球研究激光加工相關(guān)機構(gòu)的重視與研制開發(fā)，使其迅速進展成為一項集成光、機、電為一體的高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)界。該表面加工技術(shù)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(yōu)點，被譽為光加工時代的一個里程碑[1]。

激光表面處理技術(shù)是通過激光與材料的相互作用使材料表面發(fā)生物理化學(xué)變化，以使材料表面具有更好的機械性能。當(dāng)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(dāng)激光停止作用時，金屬的良好導(dǎo)熱性將導(dǎo)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(yīng)用[2]。根據(jù)多年的研究和實踐，激光表面處理技術(shù)與傳統(tǒng)表面處理技術(shù)相比具有以下優(yōu)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(xiàn)復(fù)雜零件加工；

（2）能量轉(zhuǎn)換效率高且集中，加工效率高，激光處理后熱變形??；

（3）激光部件體積小，易與自動化平臺集成實現(xiàn)流水線生產(chǎn)；

（4）無需處理介質(zhì)，利于環(huán)保，同時操作簡單，生產(chǎn)重復(fù)性好；

（5）適用范圍廣，能夠?qū)Ω黝惤饘俸头墙饘俨牧线M行表面處理。

盡管激光表面處理技術(shù)在眾多行業(yè)特別是重工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其也具有一定的局限性。激光表面處理技術(shù)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(shù)的原理和特點以及其在重工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍與發(fā)展前景。

1 激光表面處理技術(shù)的原理及應(yīng)用

1.1 激光表面淬火原理與應(yīng)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(dǎo)熱性，當(dāng)激光束移開后，實現(xiàn)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(tǒng)淬火等方式處理，不僅對從業(yè)者的身體健康造成傷害，而且會嚴重地污染環(huán)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(zhì)以及水、油等冷卻劑會變成廢渣和廢液，極大地危害了環(huán)境。相反，如果采用激光淬火技術(shù)來處理，上述所產(chǎn)生的問題都可以迎刃而解，同時激光淬火由于具有熱循環(huán)過程快、自激冷卻的優(yōu)點，不易對工件造成熱變形、開裂等現(xiàn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yè)激光淬火技術(shù)等到了深度的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)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(yīng)用于發(fā)動機的活塞環(huán)、汽缸、輪軸等關(guān)鍵零件，進而大幅度提高其使用性能。在經(jīng)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(xù)處理。例如長春第一汽車制造廠等大型汽車企業(yè)配套激光熱處理生產(chǎn)線用于提高汽車關(guān)鍵零部件的使用壽命[5]。

1.2 激光熔覆原理與應(yīng)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(jīng)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(jié)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(fù)的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)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(zhì)作為熔覆材料。

近年來，由于激光熔敷技術(shù)得到進一步發(fā)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(yōu)勢，因此特別用于模具修復(fù)[6]。在汽車制造業(yè)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(chǎn)品質(zhì)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(yè)降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)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(yè)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(yīng)用激光熔覆技術(shù)，就很好地解決相關(guān)問題，減少企業(yè)相應(yīng)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(jié)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(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

1.3 激光沖擊硬化原理與應(yīng)用

激光沖擊硬化（Laser Shock Proceing或Laser Shock Peening）簡稱LSP技術(shù)，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(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。當(dāng)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(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)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(chǎn)生高強度壓力沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過被處理材料動態(tài)屈服強度時，材料表層就產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力。這種新型的表面強化技術(shù)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(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力和在基體內(nèi)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(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力，并使材料發(fā)生塑性變形。隨著激光功率密度增加，殘余壓應(yīng)力值越高，表面塑性變形也越大。殘余應(yīng)力在疲勞載荷中起著平均應(yīng)力的等效作用，殘余壓應(yīng)力相當(dāng)于負平均應(yīng)力，對其疊加在外部的正值應(yīng)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(yīng)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(xù)增大就會使材料的屈服強度大幅度提高，這也必然導(dǎo)致抗疲勞壽命的延長。

激光沖擊處理具有應(yīng)變影響層深，沖擊區(qū)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(qū)和強化效果顯著等突出優(yōu)點。與噴丸相比，激光沖擊處理獲得的殘余壓應(yīng)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(jīng)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(shù)公司（LSP Technologies，Inc.，LSPT）與美國空軍實驗室開展了F/A-22上F119發(fā)動機鈦合金損傷葉片激光沖擊強化修復(fù)研究，對具有微裂紋、疲勞強度不夠的損傷葉片，經(jīng)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(shè)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(shù)已大量用于F119-PW-100發(fā)動機整體葉盤等部件的生產(chǎn)。LSP公司還提出了對飛機蒙皮鉚接結(jié)構(gòu)強化的專利，應(yīng)用可移動激光設(shè)備在飛機裝配現(xiàn)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(shù)都比傳統(tǒng)表面處理技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢，因為激光表面處理技術(shù)是一種非接觸式處理方法，熱量集中、熱影響區(qū)小，加工件熱變形小，但各有優(yōu)勢。激光表面淬火技術(shù)具有熱循環(huán)過程快、自激冷卻的優(yōu)點，不易對工件造成熱變形、開裂等現(xiàn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yè)激光淬火技術(shù)等到了深度的應(yīng)用。激光熔覆技術(shù)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(yōu)勢，因此特別用于模具修復(fù)。激光沖擊強化技術(shù)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(lǐng)域。

3 結(jié)束語

綜上，激光表面處理技術(shù)的優(yōu)點有：一方面由于激光發(fā)生裝置體積小，容易與自動化平臺集成，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，進而大大提高生產(chǎn)效率；另一方面，通過應(yīng)用該技術(shù)，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(xué)性能及電化學(xué)性能，能夠大量節(jié)約貴重材料及能源，為當(dāng)代制造業(yè)的環(huán)保、清潔企業(yè)高效拓展生產(chǎn)提供新的方法，屬于綠色再制造工程。但從現(xiàn)實來看，應(yīng)用激光的表面處理工程技術(shù)存在激光設(shè)備投資較大，回報率低，只有資金雄厚的國企在應(yīng)用，同時有些技術(shù)還在研究當(dāng)中，推廣、開發(fā)階段與實際生產(chǎn)使用還有技術(shù)上的差距。隨著國家對激光技術(shù)方面的投入研發(fā)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進步，激光表面處理技術(shù)的前景將更加廣闊，將會貫穿工業(yè)、軍事、醫(yī)療、通信等眾多領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈，精準洞察市場發(fā)展趨勢。

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