激光热处理的应用.doc

1、本设备是集光、机、电以及制冷和材料加工技术一体的大型集成设备，能对轴类、平面类、缸套类、齿轮类、以及空间工模具类等产品进行激光淬火、激光熔覆、激光表面合金化加工，从而达到改善工件的表面性能、提高工件的使用寿命、恢复工件的外型尺寸以重复使用等目的。主要特点：模块化设计，高度集成，具有良好的系统性能及很高的使用寿命；功能齐全，使用方便；激光加工精度高，效率高，运行稳定可靠；抗干扰能力强，动态响应速度快；造型美观，操作及维护简便。 激 光 热 处 理 是 一 种 表 面 热 处 理 技 术 。 即 利 用 激 光 加 热 金 属 材 料 表 面 实 现 表 面 热 处 理 。 激光 加 热 具 有

2、极 高 的 功 率 密 度 ， 即 激 光 的 照 射 区 域 的 单 位 面 积 上 集 中 极 高 的 功 率 。 由 于 功率 密 度 极 高 ， 工 件 传 导 散 热 无 法 及 时 将 热 量 传 走 ， 结 果 使 得 工 件 被 激 光 照 射 区 迅 速 升 温到 奥 氏 体 化 温 度 实 现 快 速 加 热 。 当 激 光 加 热 结 束 ， 因 为 快 速 加 热 时 工 件 基 体 大 体 积 中 仍保 持 较 低 的 温 度 ， 被 加 热 区 域 可 以 通 过 工 件 本 身 的 热 传 导 迅 速 冷 却 ， 从 而 实 现 淬 火 等 热处 理 效 果 。

3、激 光 淬 火 效 果 ： 激 光 淬 火 层 的 硬 度 分 布 曲 线 激 光 淬 火 层 的 硬 度 分 布 激 光淬 火 技 术 可 对 各 种 导 轨 、 大 型 齿 轮 、 轴 颈 、 汽 缸 内 壁 、 模 具 、 减 振 器 、 摩 擦 轮 、 轧 辊 、滚 轮 零 件 进 行 表 面 强 化 。 适 用 材 料 为 中 、 高 碳 钢 ， 铸 铁 。 激 光 淬 火 的 应 用 实 例 ： 激 光 淬火 强 化 的 铸 铁 发 动 机 汽 缸 ， 其 硬 度 提 高 HB230 提 高 到 HB680， 使 用 寿 命 提 高 23 倍 。 概念定义：利用激光进行加热的热处理

4、工艺称作激光热处理, 它是一种高能量密度表面热处理 ,具有超高加热速度,其淬火硬化层的性质和状态与普通淬火有着显著的区别。 研究范围：激光热处理的研究分为不熔化表面热处理和熔化表面热处理两大类。不熔化表面热处理主要包括激光表面相变硬化、激光冲击热处理和激光表面退火等;熔化表面热处理主要包括激光表面熔凝、激光表面合金化和激光非晶态等。(一) 发展过程 70 年代初80 年代初 需求动力：70 年代大功率 CO2 激光器的出现,推动了激光热处理的发展。 主要特点：该阶段的主要特点是:1.广泛开展激光表面相变硬化(即激光淬火)的研究和应用;2.开展激光表面合金化的探索研究;3.受激光器功率的影响,激

5、光热处理工艺的应用受到一定局限,未能迅速发展。 典型成果和产品：典型成果：激光热处理设备、激光表面相变硬化工艺的应用 80 年代初至今 需求动力：随着激光技术的发展,激光器功率的提高,激光热处理的优点日趋明显,从而推动激光热处理的迅速发展。激光热处理作为一种很好的节能型热处理工艺也是其迅速发展的动力之一。 主要特点：该阶段的主要特点:1.激光热处理设备已商业化,正朝小型化、自动化和柔性化方向发展;2.激光表面相变硬化处理工艺日趋成熟,广泛用于汽车、航空航天、武器等工业部门;3.激光表面合金化工艺因具有极大的经济效益,倍受各国的重视,研究工作进展较大,但仍处于基础工艺试验、组织分析和性能试验的实

6、验室研究阶段,尚未进入工业应用;4.开展了激光涂覆处理、激光表面熔凝、激光脉冲冲击强化处理和激光渗氮处理等工艺的研究。 典型成果和产品：典型成果：激光表面相变硬化处理广泛用于军用部门和民用部门。 (二) 现有水平及发展趋势 激光热处理是 70 年代初首先在美国发展起来的金属表面强化新工艺。激光热处理具有加热和冷却速度快、工件变形小、可进行局部热处理、工艺灵活性大、污染小和易实现自动化等优点。目前,国外应用较多的激光热处理主要有激光表面相变硬化、激光冲击处理、激光表面合金化和激光表面熔凝等。 激光表面相变硬化处理现已用于铸铁、碳钢、合金钢、钛合金、铝合金等材料。美国海军面射武器中心及陆军导弹分部

7、对用于导弹上的凸轮、轴承、齿轮等零件进行激光表面相变硬化代替渗碳或渗氮工艺而取得了成功。前苏联对钛合金进行这种处理后,表面的显微硬度提高了 75125%,同时也提高了抗腐蚀性和抗磨性能。 最近,德国在激光相变硬化时的温度控制和激光连续扫描时搭接软化带的控制方面取得了较大进展。 激光冲击处理是通过在材料表面产生压力脉冲来改变材料的组织和应力状态,从而改善材料性能,特别是疲劳性能,美国人对航天常用铝合金 7075 和 2024 进行了激光冲击热处理,提高了铝合金的疲劳寿命。 激光表面合金化是利用功率较高的激光器对表面涂敷有合金元素的金属表面进行照射,使表面一层薄层迅速熔化,合金元素在熔化层内迅速扩

8、散,凝固时在表面形成一层所需的合金化层。目前美国、原苏联、日本和西欧等国都十分重视这方面的研究。但由于该工艺需要的激光设备功率较高,工序比较复杂,现仍处于试验研究阶段,有待于进一步开发。 最近,激光热处理技术除了在西方发达国家取得很大进展外,一些发展中国家也在进行真空热处理的研究工作。南斯拉夫学者利用 600W 的 LPW6000 激光系统对结构碳钢、铬钼结构钢和铬钨工具钢进行了激光表面硬化处理,研究了热处理对微观硬度、淬火裂纹和残余应力的影响。朝鲜学者利用 2.4KW 的 CW-CO2激光器研究了钢经激光热处理后,马氏体相变塑性对热应力的影响。Jiguangrechulixianzhaung

9、jifazhan摘 要：作者从 4 个方面介绍了近年来我国激光热处理的现状及发展：(1)激光硬化；(2)激光熔覆；(3)激光合金化；(4)工程应用。 关键词：激光相变硬化；激光冲击硬化；激光熔覆；激光合金化 1 前言 我国激光热处理的研究、开发和应用，自 70 年代由铁科院金化所和中科院长春光机所等单位率先开展以来，已有 20 多年的历史。迄今，我国开展激光热处理的单位已遍及除西藏以外的各省、自治区、直辖市。在国家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”攻关和“863”计划，国家自然科学基金和各地的科技发展基金的支持和引导下，取得了大量有价值的研究成果，并有若干突破性进展，取得了一定规模的工业应

10、用。在我国，激光热处理领域的产、学、研相结合的格局已经初步形成。可以预期，经过坚持不懈的努力，将有更多的突破，市场的开拓也必定会有更大的进展。 2 激光硬化 2.1 激光相变硬化的强化机理和组织的研究 重庆大学1对 GCr15 钢经激光淬火后引起高硬度(1065HV)的原因用光学金相、扫描和透射电镜、 X 光衍射仪、俄歇分析仪及电子探针作了系统的试验研究。提出 GCr15 钢激光相变硬化机理为：以马氏体相变强化为主，马氏体很细，尺寸为 0.196m1.8m，马氏体位错密度很高，达 2.31012 条cm3，马氏体的含碳量高达 0.90%；残留奥氏体显著强化，其位错密度达 3.61012 条cm

11、3；晶粒超细化(ASTM No16)和碳化物细化(最表面处为 0.59m，离表面 0.1mm 处为 0.41m)及弥散分布。山东工业大学2对 W18Cr4V 高速钢经激光相变硬化后的强化机理和组织性能作了研究：激光相变区的晶粒由原来的 8 级提高到 12 级，残留奥氏体量较常规淬火有明显减少，约 10%15%，相变区的马氏体为针状马氏体和板条马氏体的混合组织。激光快速加热时间虽短，仍存在碳化物的不完全溶解以及碳和合金元素的不充分扩散，扩散距离约数百 nm 数量级，碳化物的溶解以尖角-均匀溶解机制进行。激光相变硬化层的硬度峰值为 946HV，红硬性比常规淬火高出 80，640回火后硬度峰值达到

12、1003HV，耐磨性较常规热处理提高 12.8 倍，经 640回火后耐磨性提高 5.38.1 倍，刀具的切削性能提高 2 倍以上。上海工程技术大学3研究了硼铸铁的激光热处理，研究表明：硼铸铁经激光处理后，磨损值降低 45.7%。激光热处理提高硼铸铁耐磨性的原因是激光硬化层的高硬度及合理的硬度梯度以及局部熔化区对石墨片割裂的封闭。关于强化机理的研究还有许多精彩的报道，限于篇幅无法一一列出，但这些工作已经并将继续为激光相变硬化的工程应用作出积极的贡献。 2.2 激光相变硬化的温度场及相变硬化区尺寸的计算 为了实现激光相变硬化工艺的计算机控制，早日达到实际应用，正努力解决两个问题：快速计算；减少计算

13、与实际间的误差。昆明理工大学4对稳态温度场的计算公式进行快速傅里叶(Fourier)变换，可以迅速对温度场求解，在求解过程中已不必进行关于时间的积分运算，使计算速度显著增加，与同精度的有限元或有限差分等纯数值计算相比，计算速度快两个数量级以上。实际证实，计算与试验结果之间的相对误差在 10%左右。对瞬态温度场计算公式，利用快速 Fourier 变换5，即 FFT 技术，可使温度场的求解速度大大加快，效果与稳态温度场时相同。此方法适于任意给定的激光功率密度分布。如果能有效监测实际光束的功率密度分布，并能迅速计算激光与物质的相互热作用，对于保证激光热处理的质量有重要意义。上海海运学院6采用非稳态瞬

14、时热源解法，导出了描述激光淬火对零件内部热循环过程及快速估算硬化层深度的近似公式，简便实用，误差较小。 我们知道，在激光作用下材料吸收激光能量的过程和随后往内部传递热能的过程应该遵守热力学的基本定律，但它明显地有着自身的特殊性，如热过程速度极快、温度梯度大、激光束斑的功率密度分布不均匀而且随时间还会发生变化；激光作用又有连续和脉冲两种方式，在激光作用过程中材料对激光的吸收率以及一些热力学参数随温度变化而变化等。当然不可忽视的是：在激光作用下不同材料本身的组织、结构、成分及其在热作用过程中的变化规律差别很大。因此，激光与材料相互作用过程是一个非常复杂的问题。许多计算方法及其得出的公式都是在限定条

15、件的情况下提出的，若所作的假设与实际情况相差甚远，则基本上对实际热处理工艺的制定没有直接的指导作用。近期的一些研究在这方面已作了很大的努力，试图接近实际，但看来要实现激光相变硬化的计算机控制还有一段距离。 2.3 激光淬火用光热转换材料的研究 一般来说，需激光硬化的金属材料表面都经过机械加工，表面粗糙度很小，对激光的反射率可达 80%90% ，因此通常采用对激光有较高吸收能力的涂料进行预处理。在这方面长春光机所、清华大学等单位做了许多探索。近年来上海工程技术大学7以光热转换材料(简称吸收涂层)的光谱发射率及激光相变硬化区面积为依据，研制成以金属氧化物为主的混合氧化物的新型光热转换材料。该材料对

16、 CO2 激光的吸收率达 90%以上，具有工艺性能良好、干燥快、无刺激性气味和激光处理过程中无反喷等优点，有较好推广应用价值。华中理工大学8比较了国内有些单位采用的两种光热转换材料磷化膜与 SiO2 胶体涂料，得到以下结果：SiO2 胶体涂料的光热转换效率优于磷化膜的；由于基体与磷化液之间的化学反应造成表面粗糙度增大，且磷与铁之间形成低熔点脆性共晶相，引起硬化层出现晶间微裂纹。所以 SiO2 胶体的淬硬层质量优于磷化膜；SiO2 涂层的工艺过程简单，无环境污染，灵活性强。 从目前来看，激光相变硬化的工业应用离不开采用适宜的光热转换材料。如何保证大批量工业应用过程中涂覆光热转换材料的稳定性、均匀

17、性及可检测性并进一步降低生产成本，还需做进一步工作。 2.4 激光加常规复合处理 激光热处理是一项新技术，有非常明显的特点，也有一定的适用范围，将激光热处理与适当的常规热处理技术巧妙地结合起来，优势互补，显然是非常好的思路。 北京航空航天大学9对球墨铸铁材料先用激光表面重熔处理，然后在 750石墨化退火，使快速凝固共晶渗碳体亚稳相部分地转变为石墨，成功地制得了既含硬质耐磨快速凝固共晶渗碳体，又含弥散石墨的新型铁基多相耐磨材料。通过改变退火时间来调节渗碳体和石墨的相对量。由于渗碳体的较佳耐磨性加上石墨的自润滑，是较理想的摩擦学材料。长春光机学院10对 18Cr2Ni4WA 钢先行渗碳处理，使碳呈

18、梯度分布，然后激光相变处理。在复合处理作用下，硬化层分成 3 个区：第一区为表层完全淬硬区，其最表面为针状马氏体渗碳体残留奥氏体，次表面为针状马氏体板条马氏体残留奥氏体；第二区为过渡层，由马氏体回火析出碳化物组成；第三区为高温回火区，由回火索氏体组成。 随着经济发展，对机械零部件的性能要求将是多种多样的，采用一种热处理工艺往往难以解决问题。因此复合热处理技术的市场需求会有一定程度的增长。 2.5 激光冲击硬化 激光冲击处理(LSP)主要是利用强激光与材料表面相互作用产生的力学效应强应力波来改善材料性能。此技术能有效地强化钢、铝、钛、镍等金属材料，特别是 2024T3 铝合金经激光冲击强化后，疲

19、劳寿命提高 4 倍。近年来，我国从 3 个方面开展对激光冲击处理的研究：激光冲击处理对金属性能的影响及工程应用；激光冲击强化的微观机理；激光冲击处理的强化效果的无损检测。 江苏理工大学及南京大学11对 2024T62 铝合金进行激光冲击处理，激光冲击区的硬度提高 42%，在 95%置信度下，LSP 试件的中值疲劳寿命是未激光冲击试样的 5.414.5 倍。江苏理工大学 12也对常用的 45 钢进行激光冲击处理，LSP 区硬度提高 32%，LSP 试件的中值疲劳寿命是未冲击试件的 1.112.133 倍(置信度 95%)。由于激光冲击的应力波持续时间极短(微秒)，特别是指有效地处理成品零件上具有

20、应力集中的局部区域，例如提高成品零件上拐角、孔、槽等局部区域的疲劳寿命，所以 LSP 技术的工程应用前景较好。华中理工大学13的研究工作表明，激光冲击处理大幅度提高 LY12-CZ 铝合金的疲劳寿命的微观机理是激光冲击后的位错密度提高 21 倍以及在材料表面产生 49.43MPa 的残余压应力。在激光冲击处理的退火态 T8 钢中14看到了由于激光冲击诱发相变而产生的马氏体组织，解释了硬度提高 2 倍的原因。再按照压电转化原理，计算出15激光冲击在 LY12-CZ 铝合金中形成的瞬态冲击波的量值为 MPa 级，并且激光冲击波是由一系列不同频率的波叠加的结果，其中高频波所占比例较大。南京大学16提

21、出用表面粗糙度和微凹坑两个表面质量指标并分成 4 个等级，作为在实际生产应用中判别和控制激光冲击强化效果的无损检测手段。由上所述，我国已在激光冲击硬化的应用基础方面做了大量的研究，得到了比较明确的研究结果，现在问题的关键是要尽快推出具有合适性能价格比的 LSP 工业应用装备。 3 激光熔凝3.1 激光快速熔凝条件下凝固规律的研究 许多研究表明，激光快速熔凝条件下，材料的凝固具有高温度梯度和高凝固速率的特点，传统的凝固理论不能完整地、确切地揭示此时材料凝固的规律。近年来国内外许多研究者做了大量工作。其中西北工业大学凝固技术国家重点实验室系统地开展了激光快速熔凝条件下的基础研究。在激光快速凝固微观

22、组织形成原理17一文中介绍了激光快速凝固微观组织的界面温度选择原理，以及单相平面前沿、单相枝晶和平面共晶生长 3 种典型的界面响应函数及其在预言单相合金、共晶合金和包晶合金激光快速凝固微观组织中的应用。 3.2 不同基底材料上的激光熔覆 激光熔覆的基底材料大多采用廉价的普通碳钢和铸铁。近年来清华大学对铝合金作为基底材料的激光熔覆做了许多工作18：用送粉激光熔覆法在铝基体表面成功地获得了均匀致密的 SiO2 涂层和 Al2O3-TiO2 涂层。SiO2 涂层厚度为 1030m，Al2O3-TiO2 涂层厚度可达 100m ，涂层内部致密无缺陷，涂层与铝基体结合良好。重庆大学19对钛合金基底材料上

23、用激光束合成与涂覆生物陶瓷涂层获得成功。中科院金属所20在 Ni 基高温合金基底上用 NiCrBSi 和 NiCrAlY 两种合金粉与 ZrO2 的混合粉进行激光熔覆，获得了不同结构热障涂层。 3.3 熔覆材料及陶瓷相的研究 激光熔覆材料最常用 Ni 基材料，Co 基与 Fe 基也有使用。海军后勤学院21研究了在 45钢表面制备 Co-TiC-WC 金属陶瓷复合层，硬度和耐磨性高。华中理工大学22在 Q235(A3)钢表面制备 Fe-WC 金属陶瓷复合层，并研制了一种适用于激光熔覆的 Cu 基合金和 SiCp 的复合粉 23。一方面兼顾 Cu 基合金的优良性能；另一方面，通过加入 SiCp，改

24、善组织，提高覆层的硬度和耐磨性。清华大学24提出：采用热喷涂合金粉末作为激光熔覆材料容易带来气孔和裂纹问题，研究了 Fe-C-Si-B 合金粉，可获得按介稳系结晶的组织，其细化程度比 C-Si-B 激光合金化有很大提高，添加少量 CaF2 可显著改善熔覆材料的工艺性能。在激光熔覆材料中添加稀土是许多研究者所关注的，中科院金属所25通过激光快速熔凝处理钢表面含稀土的涂层，研究了稀土在钢表层的加入量和对钢表层性能的影响。结果表明：激光熔凝处理含稀土的涂层可使较多的稀土加入钢表层，C-N-B-TiRESiFe 涂层激光处理后其表面稀土含量为 0.35%，Ni-Cr-B-SiRESiFe 涂层激光处理

25、后其表面稀土含量为5.5%。加入表层的稀土在改性层中沿深度分布较为均匀，不存在明显的浓度梯度，表层组织均匀。稀土硅铁的加入使钢表层的耐磨性、抗氧化性等都有较明显的提高。 激光熔覆的陶瓷相以采用碳化物的工作较多，如 TiC26和 WC27等。有的研究工作采用氧化物，如 Al2O3、TiO2 和 SiO218等。中科院金属腐蚀所研究了硼化物作为陶瓷相28。3.4 激光熔覆工艺的研究 激光熔覆工艺可以分成两类：一类是激光处理前供给添加材料；另一类是激光处理过程中供给添加材料。第一类主要用粉末预置法，可以用粘结、火焰喷涂和等离子喷涂等；第二类是自动送粉法。天津纺织工学院研制成功大面积自动涂覆系统29，

26、适用激光功率110kW，可用于宽带涂覆，也可直接用于聚焦窄带涂覆。单道一次涂覆宽 1035mm(可调)，单道一次涂覆厚度 0.28mm(可控)，送粉量 0.5200gmin(可调)，送粉精度2%。 3.5 激光熔凝形成非晶态 天津理工学院对 Fe-B 合金激光熔凝形成非晶态的机理进行探讨30，提出了一个简化的熔池中温度分布的物理模型，分析了非晶态形成过程，经试验得到了 130m200m 厚度的非晶层。由于金属非晶的独特性能，用激光熔凝技术在金属零部件的局部表面制备一层非晶显然极具吸引力，许多单位正在努力研究和开发。 3.6 激光熔覆层的性能及其应用 (1) 耐磨 目前开展的大量激光熔覆工作，主

27、要是在零部件的局部表面制备高耐磨的熔覆层18，2123，26，27。 (2) 耐腐蚀 南京航空航天大学31在 Q235 钢表面激光熔覆 C-N-B-Ti 加稀土硅铁以及Ni-Cr-B-Si 加稀土硅铁。结果表明：钢表层中的过饱和稀土除和氧、硫作用外，还可固溶于晶内、晶界或其附近，甚至能形成金属间化合物 RE2Fe17；经过稀土和激光熔凝处理的表面具有较高的耐腐蚀性能。中南工学院32在耐酸不锈钢基体上激光熔覆 Co 基合金，得到的熔层与等离子焊层对比，激光熔层缺陷率低，成品率高。其组织细密均匀，晶粒细小，成分稀释率更小，对基体热影响小，熔层硬度与强韧性提高。性能试验表明，激光熔层具有更高的耐腐蚀

28、性能。在石油化工阀门密封面奥氏体基体上激光熔覆 Ni 基合金33，能获得厚度达 3.0mm 和表面较平整光滑的合金层，可用于加工或修复，在组织和性能上均明显优于等离子喷焊工艺。 (3) 制备功能梯度材料 由于覆层和基体之间的性能差别很大，使用中往往容易界面失效。为此研制可以消除界面的功能梯度材料，使覆层的组成和性能沿厚度方向连续梯度变化。在探索激光熔覆陶瓷金属梯度覆层时，最初采用叠层熔覆法，逐层改变混合粉中陶瓷颗粒的含量和粒度，经多层熔覆后，陶瓷颗粒在覆层中的分布规律呈台阶变化。此法沿用覆层和基体之间引入过渡层的思路，陶瓷颗粒在每一层中保持均匀分布，层与层之间的组织变化不连续，仍有界面问题。北

29、京工业大学34采用激光一步涂覆法，利用激光熔池的流动和凝固行为，依靠 TiC 颗粒在熔池中不断长大和有规律运动，在激光束一次熔凝过程中自动实现涂层的连续梯度结构，成功地在钢基表面熔覆制备了 TiCpNi 自生梯度涂层。熔覆层的组织由 TiC 颗粒，-Ni 枝状初晶及枝晶间共晶组成。从熔覆层底部到顶部，TiC 颗粒呈现连续的梯度变化，即颗粒尺寸从 0.8m 增长到 4.5m；体积含量从 4%增加到33%；TiC 颗粒的形貌也相应地从球形细小颗粒过渡到粗大的花瓣状粒子簇。TiC 颗粒的快速长大主要来自颗粒的碰撞和粘结，凝固前沿对浮升速度相对较慢的 TiC 小颗粒优先捕获，是导致熔覆层梯度结构原位生

30、成的决定因素。 (4) 制备复合生物工程材料 重庆大学19在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现激光合成与涂覆工艺制备生物陶瓷基础上35，又在比强度高、耐蚀性好、医疗用途更广的钛合金表面成功地实现激光束一步合成和涂覆含 Ca5(PO4)3*(OH)羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层。该涂层具有优良的力学性能，也改善了植入材料弹性模量与生物硬组织的匹配性。研究发现，加入微量稀土(Y2O3)不仅有利于激光化学反应生成 HA 相，增强其结构稳定性，而且可细化组织，提高强韧性。 3.7 激光熔覆层的残余应力及开裂的原因与预防 采用激光熔覆技术可以获得耐磨损、耐腐蚀的涂层，有良好的经济效益和应用前景。但是激光熔

31、覆层可能存在气孔和裂纹的缺陷，这是必须加以认真研究和解决的。 重庆大学36研究了球墨铸铁激光熔覆时出现的裂纹。把裂纹按产生的位置分成 3 类：熔凝层裂纹、界面基体裂纹和搭接区裂纹。其中界面基体裂纹最常见。裂纹的形成受力学因素、冶金因素尤其受基体材料的缺陷所影响。通过控制激光处理工艺和调整合金成分，制备含 C、B、Si 量较低的复合粉末；通过预先熔凝处理，细化基材表面晶粒；通过预涂覆处理等措施来降低涂层宏观裂纹率。华中理工大学37研究了激光熔覆组织和激光熔覆层热膨胀系数对开裂敏感性的影响。 大量的研究已经表明：激光熔凝层内存在拉应力，当局部应力超过材料的强度极限时就会产生裂纹。裂纹产生的部位往往

32、在枝晶界、气孔、夹杂物等薄弱环节处。激光熔凝层的残余应力可通过设法提高熔凝层材料自身的塑变能力，降低它的耐软化温度得以一定程度的松弛，也可通过预热或后热予以减小甚至消除。当然设法减少覆层材料的缺陷也是降低开裂敏感性的有效途径。界面基体裂纹多产生于熔凝层与基体界面处、基材熔化区或热影响区内的缺陷处，如果该区域发生比容增大的马氏体相变则会加剧此类裂纹的生成，因此提高此区域材料的自身韧性，有效减少各种缺陷，不失为避免或减少此类开裂的有效途径。而铸铁类基材的激光熔覆则往往难以避免界面基体裂纹的产生。对搭接区裂纹目前研究得不多，看来在较高的激光入射功率条件下，通过光束处理技术及适当的工件运动，完成较大面

33、积的均匀的激光熔覆是可能的。 4 激光合金化 早期的激光合金化工作38，39偏重于工艺参数、组织和性能的研究。在激光合金化层中，存在表面不平整和出现裂纹及气孔的两个重要问题，对此许多研究者做了大量的工作，提出了解决办法。近期我国的激光合金化工作，有两项值得注意的进展。一项是清华大学把激光合金化技术应用到实际产品上40，41；另一项是北京航空航天大学采用激光合金化工艺来强化新型高温结构材料TiAl 金属间化合物，提高其耐磨性42。清华大学结合沙漠车用 F8L413F 八缸风冷柴油机研制陶瓷挺柱的科技攻关，在 45 钢凸轮轴上成功地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化新工艺40。采用自行研制

34、的 TH-2 型共晶合金化涂料，在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理，使其硬度达到 6067HRC，合金化层深1.31.5mm；凸轮的其它部分进行激光快速熔凝处理，获得硬度 55HRC，硬化层深0.81.0mm。凸轮强化表面平整均匀，无气孔和裂纹，实现了合理连续的组织与硬度搭配，凸轮轴处理后无需校直。发动机经 500h 台阶试验和沙漠车上 5 个月使用考核，表明激光强化的凸轮具有优异的耐磨性和抗疲劳性能。此外还为沙漠车用柴油机研制激光合金化的活塞环41：活塞环基材是球墨铸铁，在激光加热时，石墨气化形成气孔及裂纹。解决途径是采用自制 TH-2，C-Si-B-RE 共晶合金化涂料。由于熔池内的金属液

35、形成 FeCSi 共晶或过共晶，具有很低的熔点和良好的流动性，有利于杂质和气体逸出；涂料中含有的微量稀土，在 Fe-C 合金液中有强烈的净化和除气作用。同时在 TH-2 共晶合金化涂料中添加 WC、TiC陶瓷粉末，得到的组织是高硬度的 WC、TiC 质点弥散分布在细小、均匀、致密的共晶FeCSiB 介稳基底上。结果活塞环的合金化层平均显微硬度达 1200HV。这种活塞环和等离子喷涂陶瓷涂层缸套配对在摩擦学试验和模拟沙漠使用环境的发动机台架试验中显示出优异的耐磨性。 北京航空航天大学42采用激光气体合金化工艺方案，在 TiAl 金属间化合物的激光表面快速熔化过程中，强行向激光高温熔池中引入高纯氮

36、气，“原位”地在合金表面制得以高硬度、高耐磨的氮化钛为增强相的表面改性层。试验结果表明激光气体合金化对提高 TiAl 金属间化合物的耐磨性是一种很有前途的表面改性新技术。此外，还与华中理工大学合作，用激光合金化生成 TiC 的方案来提高 TiAl 金属间化合物的耐磨性43：在 TiAl 金属间化合物表面均匀涂覆碳粉，用 CO2 激光进行激光表面合金化，制得了以硬质 TiC 为增强相的快速凝固“原位”复合材料表面改性层。激光表面改性层显微硬度和组织具有较明显的梯度渐变特征。清华大学近年来与法国焊接研究所合作44，研制大面积激光合金化层。用45kW CO2 激光器，在 XC38 碳钢上，对 CSi

37、BNiMoCo 涂层进行激光合金化处理，获得了表面光洁、无氧化和无裂纹缺陷的大面积合金化层。合金化区的微观组织由马氏体、残留奥氏体和多元共晶所组成，其硬度为 6165HRC。 5 工程应用 激光热处理技术已在我国得到了一定规模的工业应用，成功的例子很多，举例如下。 5.1 激光毛化冷轧辊 为了生产冲压或深冲压用的优质毛面薄钢板，轧钢厂需要对工作轧辊表面进行毛化处理。以往轧辊毛化的方法是喷丸处理，但难以精确控制轧辊表面的形貌和粗糙度，为了解决这一问题，国内外均做了大量研究。中科院力学所研究成功轧辊激光毛化技术45。轧辊激光毛化技术又称激光织构化，出自于 Texturing the Roughne

38、ss of Work Rolls by Means of Laser Pulses46。 轧辊激光毛化技术可以精确控制所加工轧辊表面的形貌和粗糙度，轧制生产的激光毛面钢板具有优良的冲压成形性能和涂漆光亮度，其塑性变形能力有所改善，明显优于同材质的光面板和喷丸毛面板。激光毛化技术可以在毛化的同时，使激光作用区的材料获得超常硬度，给轧面带来超常的强韧化效果，延长轧辊使用寿命。轧制低碳钢板的激光辊寿命是普通辊的 35 倍；冷轧 65Mn 钢的激光辊寿命是普通辊的 23 倍；平整轧制低碳冲压用毛面板的激光辊寿命比普通辊的提高 510 倍。此外激光毛化加工也可改善轧辊使用性能，由于优化摩擦条件，轧制时不

39、易打滑和粘连，轧制速度可提高一倍以上，消除板卷退火粘结现象，可进一步优化轧制参数，甚至可用激光辊实现异步轧制。通常大面积的激光处理采用连续扫描，由线及面地进行，此时存在扫描带重叠造成回火软带和扫描带不重叠所致表面各向异性的问题。为此，提出用脉冲激光离散熔凝处理代替激光连续扫描工艺。轧辊的激光毛化技术就是脉冲激光离散熔凝处理技术的成功的应用。 冷轧辊的激光毛化技术已在我国获得一定规模的工业应用。1990 年 3 月中科院力学所在中国大恒、北京吉普汽车、首钢钢研所协作下，开展 YAG 激光毛化冷轧辊工艺攻关，至 1992年 6 月研制成功第一台可用于带钢规模生产的 YAG 激光毛化冷轧辊实验装置。

40、1992 年 8 月开始用于秦皇岛龙腾精密带钢公司生产，1994 年 3 套大、中、小型 YAG 激光毛化冷轧辊成套设备分别在天津市冷轧薄板厂、鞍山带钢厂、无锡远方带钢厂投产。仅一年时间，天津冷轧薄板厂近十万吨优质激光毛化板投放市场，使我国继比利时、日本、德国之后世界上第四个掌握激光毛化冷轧辊新技术并用于规模生产的国家。1995 年华中理工大学、武钢、武汉重机合作研制成功 CO2 激光毛化冷轧辊装备并试轧了 300t CO2 激光毛化钢板。上述成果说明了激光毛化技术和装备及其工业应用是我国激光热处理产业化进程中，产、学、研相结合获得巨大成功的一个突出例子，值得推广。 5.2 热轧辊的激光强化

41、广州富通公司是一家民营高科技企业，于 1994 年开始进行激光加工技术的应用开发工作，已开发成功 GFT 激光多功能加工机床47，用来对冶金大宗消耗件和其他各类机械零件进行激光表面改性和修复，1998 年 4 月取得冶金工业部的鉴定证书。其中对热轧辊的处理取得如下效果： 处理前 处理后轧辊名称 材质表面硬度(HRC) 轧钢量t 表面硬度 HRC 轧钢量t 寿命对比650 70Mn2 钢 25 900 5760 1800 提高一倍500 CrMo 球铁 20 700 55 1300 提高 80%450 CrMo 球铁 37 700 57 1100 提高 55%300 CrNiMo 冷硬铸铁 10

42、00 1500 提高 50%目前该企业主要产品 GFT 激光热处理机已进入新疆八钢和邯钢、莱钢、济钢、玉柴等大中型企业，市场前景良好。 5.3 汽缸体和缸套内壁的激光强化 汽缸体和缸套的激光强化是激光热处理技术在我国最早获得实际应用的实例。目前激光缸套的生产企业以西安内燃机配件厂为代表48，该厂 1990 年 10 月建成全国第一条缸套激光热处理生产线，至 1998 年底已建成 24 条激光热处理生产线，生产能力达到年产 120 万只激光缸套，耐磨性比普通缸套提高 25%30%以上，使缸套寿命从 60008000h 提高到10000h 以上，同时具有优越的配副性和抗拉缸性能，还可配用任何材质的

43、活塞环，与之相匹配的活塞环的寿命可提高 30%46%以上，并且可缩短初期磨合时间。而已在汽车修理行业获得广泛应用的激光强化装备以青岛中发激光技术有限公司的产品较多49，该公司已开发生产了 5 种型号的激光强化机，市场信誉良好。据统计，该公司产品已在国内近 80 家汽车大修厂、镗缸磨轴厂、缸套厂、大专院校和科研院所使用，取得明显的经济效益。 5.4 各种机械零部件局部表面的激光强化 上海工程技术大学在对球铁的激光热处理进行系统深入研究基础上与中国迅达电梯公司上海电梯厂紧密合作，研制成功电梯正弦轮 V 型槽面的激光强化技术50，经瑞士迅达电梯公司多次派专家进行质量评估，确认完全符合质量要求，自 1

44、991 年以来，已将此工艺列入中国迅达公司的生产工艺，已累计产生直接经济效益超过 1200 万元，发展前景良好。 胜利油田钻井工艺研究院自 1993 年以来，为油田钻采作业解决了一系列关键零件的激光强化问题。已投入生产的零件有：组合抽油泵缸套的激光淬火；整筒泵泵筒(长 7m，内径 5683mm)的激光淬火机床研制及激光处理工艺开发；钻井、修井用的 278钻杆接头的激光强化；高压柱塞泵柱塞的激光陶瓷合金化。天津修船技术研究所 1997 年建成激光加工中心，已为船舶行业的压缩机缸体、船用发电机组大模数齿轮、船用主机大直径缸套、减速器齿轮进行激光强化，还成功地解决了食品机械大直径 QT700-2 曲

45、轴主轴颈和偏心轴颈的激光强化工艺。 中科院沈阳金属腐蚀研究所在对某航空发动机叶片激光熔覆修复取得成功的基础上，把激光熔覆技术在航空发动机上的应用朝产业化方向发展。 清华大学激光加工研究中心近几年在以下项目取得较大进展：激光共晶合金化激光熔凝复合强化 45 钢风冷柴油机凸轮轴；球墨铸铁活塞环的激光陶瓷合金化；在FeCSiBRE 系激光合金化基础上，开拓 Fe-C 合金表面激光非晶化；轻型车凸轮轴螺旋齿轮的激光强化；舰船主辅机关键零件的激光强化；FeCSiB 激光熔覆专用合金粉末开发等。 还有不少已取得重要突破的项目，例如中科院沈阳金属所的激光制备纳米新材料等，限于篇幅，不能在此详细列出。可以预期，随着我国经济建设的发展，尤其是制造业的发展，激光热处理技术及其装备的研究、开发将会得到更深入的发展及更大规模的工业应用。中国机械工程学会热处理学会高能密度热处理技术委员会自 1984 年 12 月在湖北十堰市成立以来，已召开了七届全国高能密度热处理学术年会，其中包括一届国际年会，对我国激光热处理的发展起了一定的促进作用，今后将继续在组织学术交流、技术培训、决策咨询、可行性研究和促进产、学、研结合等方面作出努力。