激光(guāng)熱處理(lǐ)的(de)現狀及發展

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摘 要：作者從4個方面介紹了(le)近年來我國激光(guāng)熱處理(lǐ)的(de)現狀及發展：(1)激光(guāng)硬化(huà)；(2)激光(guāng)熔覆；(3)激光(guāng)合金化(huà)；(4)工程應用(yòng)。 關鍵詞：激光(guāng)相變硬化(huà)；激光(guāng)沖擊硬化(huà)；激光(guāng)熔覆；激光(guāng)合金化(huà) 1 前言 我國激光(guāng)熱處理(lǐ)的(de)研究、開發和(hé)應用(yòng)，自70年代由鐵科院金化(huà)所和(hé)中科院長春光(guāng)機所等單位率先開展以來，已有20多(duō)年的(de)曆史。迄今，我國開展激光(guāng)熱處理(lǐ)的(de)單位已遍及除西藏以外的(de)各? ⒆災吻⒅畢絞小Ｔ诠搖傲濉薄ⅰ捌呶濉薄ⅰ鞍宋濉薄ⅰ熬盼濉憊ス睾汀?63”計劃，國家自然科學基金和(hé)各地的(de)科技發展基金的(de)支持和(hé)引導下(xià)，取得(de)了(le)大(dà)量有價值的(de)研究成果，并有若幹突破性進展，取得(de)了(le)一定規模的(de)工業應用(yòng)。在我國，激光(guāng)熱處理(lǐ)領域的(de)産、學、研相結合的(de)格局已經初步形成。可(kě)以預期，經過堅持不懈的(de)努力，将有更多(duō)的(de)突破，市場的(de)開拓也(yě)必定會有更大(dà)的(de)進展。 2 激光(guāng)硬化(huà) 2.1 激光(guāng)相變硬化(huà)的(de)強化(huà)機理(lǐ)和(hé)組織的(de)研究 重慶大(dà)學[1]對GCr15鋼經激光(guāng)淬火後引起高(gāo)硬度(1065HV)的(de)原因用(yòng)光(guāng)學金相、掃描和(hé)透射電鏡、X光(guāng)衍射儀、俄歇分(fēn)析儀及電子探針作了(le)系統的(de)試驗研究。提出GCr15鋼激光(guāng)相變硬化(huà)機理(lǐ)爲：①以馬氏體相變強化(huà)爲主，馬氏體很細，尺寸爲0.196μm×1.8μm，馬氏體位錯密度很高(gāo)，達2.3×1012條／cm3，馬氏體的(de)含碳量高(gāo)達0.90%；②殘留奧氏體顯著強化(huà)，其位錯密度達3.6×1012條／cm3；③晶粒超細化(huà)(ASTM No．16)和(hé)碳化(huà)物(wù)細化(huà)(最表面處爲0.59μm，離表面0.1mm處爲0.41μm)及彌散分(fēn)布。山東工業大(dà)學[2]對W18Cr4V高(gāo)速鋼經激光(guāng)相變硬化(huà)後的(de)強化(huà)機理(lǐ)和(hé)組織性能作了(le)研究：激光(guāng)相變區的(de)晶粒由原來的(de)8級提高(gāo)到12級，殘留奧氏體量較常規淬火有明(míng)顯減少，約10%～15%，相變區的(de)馬氏體爲針狀馬氏體和(hé)闆條馬氏體的(de)混合組織。激光(guāng)快(kuài)速加熱時間雖短，仍存在碳化(huà)物(wù)的(de)不完全溶解以及碳和(hé)合金元素的(de)不充分(fēn)擴散，擴散距離約數百nm數量級，碳化(huà)物(wù)的(de)溶解以尖角-均勻溶解機制進行。激光(guāng)相變硬化(huà)層的(de)硬度峰值爲946HV，紅硬性比常規淬火高(gāo)出80℃，640℃回火後硬度峰值達到1003HV，耐磨性較常規熱處理(lǐ)提高(gāo)1～2.8倍，經640℃回火後耐磨性提高(gāo)5.3～8.1倍，刀(dāo)具的(de)切削性能提高(gāo)2倍以上。上海工程技術大(dà)學[3]研究了(le)硼鑄鐵的(de)激光(guāng)熱處理(lǐ)，研究表明(míng)：硼鑄鐵經激光(guāng)處理(lǐ)後，磨損值降低45.7%。激光(guāng)熱處理(lǐ)提高(gāo)硼鑄鐵耐磨性的(de)原因是激光(guāng)硬化(huà)層的(de)高(gāo)硬度及合理(lǐ)的(de)硬度梯度以及局部熔化(huà)區對石墨片割裂的(de)封閉。關于強化(huà)機理(lǐ)的(de)研究還有許多(duō)精彩的(de)報道，限于篇幅無法一一列出，但這些工作已經并将繼續爲激光(guāng)相變硬化(huà)的(de)工程應用(yòng)作出積極的(de)貢獻。 2.2 激光(guāng)相變硬化(huà)的(de)溫度場及相變硬化(huà)區尺寸的(de)計算(suàn) 爲了(le)實現激光(guāng)相變硬化(huà)工藝的(de)計算(suàn)機控制，早日達到實際應用(yòng)，正努力解決兩個問題：①快(kuài)速計算(suàn)；②減少計算(suàn)與實際間的(de)誤差。昆明(míng)理(lǐ)工大(dà)學[4]對穩态溫度場的(de)計算(suàn)公式進行快(kuài)速傅裏葉(Fourier)變換，可(kě)以迅速對溫度場求解，在求解過程中已不必進行關于時間的(de)積分(fēn)運算(suàn)，使計算(suàn)速度顯著增加，與同精度的(de)有限元或有限差分(fēn)等純數值計算(suàn)相比，計算(suàn)速度快(kuài)兩個數量級以上。實際證實，計算(suàn)與試驗結果之間的(de)相對誤差在10%左右。對瞬态溫度場計算(suàn)公式，利用(yòng)快(kuài)速Fourier變換[5]，即FFT技術，可(kě)使溫度場的(de)求解速度大(dà)大(dà)加快(kuài)，效果與穩态溫度場時相同。此方法适于任意給定的(de)激光(guāng)功率密度分(fēn)布。如果能有效監測實際光(guāng)束的(de)功率密度分(fēn)布，并能迅速計算(suàn)激光(guāng)與物(wù)質的(de)相互熱作用(yòng)，對于保證激光(guāng)熱處理(lǐ)的(de)質量有重要意義。上海海運學院[6]采用(yòng)非穩态瞬時熱源解法，導出了(le)描述激光(guāng)淬火對零件内部熱循環過程及快(kuài)速估算(suàn)硬化(huà)層深度的(de)近似公式，簡便實用(yòng)，誤差較? ? 我們知道，在激光(guāng)作用(yòng)下(xià)材料吸收激光(guāng)能量的(de)過程和(hé)随後往内部傳遞熱能的(de)過程應該遵守熱力學的(de)基本定律，但它明(míng)顯地有著(zhe)自身的(de)特殊性，如熱過程速度極快(kuài)、溫度梯度大(dà)、激光(guāng)束斑的(de)功率密度分(fēn)布不均勻而且随時間還會發生變化(huà)；激光(guāng)作用(yòng)又有連續和(hé)脈沖兩種方式，在激光(guāng)作用(yòng)過程中材料對激光(guāng)的(de)吸收率以及一些熱力學參數随溫度變化(huà)而變化(huà)等。當然不可(kě)忽視的(de)是：在激光(guāng)作用(yòng)下(xià)不同材料本身的(de)組織、結構、成分(fēn)及其在熱作用(yòng)過程中的(de)變化(huà)規律差别很大(dà)。因此，激光(guāng)與材料相互作用(yòng)過程是一個非常複雜的(de)問題。許多(duō)計算(suàn)方法及其得(de)出的(de)公式都是在限定條件的(de)情況下(xià)提出的(de)，若所作的(de)假設與實際情況相差甚遠，則基本上對實際熱處理(lǐ)工藝的(de)制定沒有直接的(de)指導作用(yòng)。近期的(de)一些研究在這方面已作了(le)很大(dà)的(de)努力，試圖接近實際，但看來要實現激光(guāng)相變硬化(huà)的(de)計算(suàn)機控制還有一段距離。 2.3 激光(guāng)淬火用(yòng)光(guāng)熱轉換材料的(de)研究 一般來說，需激光(guāng)硬化(huà)的(de)金屬材料表面都經過機械加工，表面粗糙度很小，對激光(guāng)的(de)反射率可(kě)達80%～90%，因此通(tōng)常采用(yòng)對激光(guāng)有較高(gāo)吸收能力的(de)塗料進行預處理(lǐ)。在這方面長春光(guāng)機所、清華大(dà)學等單位做(zuò)了(le)許多(duō)探索。近年來上海工程技術大(dà)學[7]以光(guāng)熱轉換材料(簡稱吸收塗層)的(de)光(guāng)譜發射率及激光(guāng)相變硬化(huà)區面積爲依據，研制成以金屬氧化(huà)物(wù)爲主的(de)混合氧化(huà)物(wù)的(de)新型光(guāng)熱轉換材料。該材料對CO2激光(guāng)的(de)吸收率達90%以上，具有工藝性能良好、幹燥快(kuài)、無刺激性氣味和(hé)激光(guāng)處理(lǐ)過程中無反噴等優點，有較好推廣應用(yòng)價值。華中理(lǐ)工大(dà)學[8]比較了(le)國内有些單位采用(yòng)的(de)兩種光(guāng)熱轉換材料——磷化(huà)膜與SiO2膠體塗料，得(de)到以下(xià)結果：①SiO2膠體塗料的(de)光(guāng)熱轉換效率優于磷化(huà)膜的(de)；②由于基體與磷化(huà)液之間的(de)化(huà)學反應造成表面粗糙度增大(dà)，且磷與鐵之間形成低熔點脆性共晶相，引起硬化(huà)層出現晶間微裂紋。所以SiO2膠體的(de)淬硬層質量優于磷化(huà)膜；③SiO2塗層的(de)工藝過程簡單，無環境污染，靈活性強。 從目前來看，激光(guāng)相變硬化(huà)的(de)工業應用(yòng)離不開采用(yòng)适宜的(de)光(guāng)熱轉換材料。如何保證大(dà)批量工業應用(yòng)過程中塗覆光(guāng)熱轉換材料的(de)穩定性、均勻性及可(kě)檢測性并進一步降低生産成本，還需做(zuò)進一步工作。 2.4 激光(guāng)加常規複合處理(lǐ) 激光(guāng)熱處理(lǐ)是一項新技術，有非常明(míng)顯的(de)特點，也(yě)有一定的(de)适用(yòng)範圍，将激光(guāng)熱處理(lǐ)與适當的(de)常規熱處理(lǐ)技術巧妙地結合起來，優勢互補，顯然是非常好的(de)思路。 北(běi)京航空航天大(dà)學[9]對球墨鑄鐵材料先用(yòng)激光(guāng)表面重熔處理(lǐ)，然後在750℃石墨化(huà)退火，使快(kuài)速凝固共晶滲碳體亞穩相部分(fēn)地轉變爲石墨，成功地制得(de)了(le)既含硬質耐磨快(kuài)速凝固共晶滲碳體，又含彌散石墨的(de)新型鐵基多(duō)相耐磨材料。通(tōng)過改變退火時間來調節滲碳體和(hé)石墨的(de)相對量。由于滲碳體的(de)較佳耐磨性加上石墨的(de)自潤滑，是較理(lǐ)想的(de)摩擦學材料。長春光(guāng)機學院[10]對18Cr2Ni4WA鋼先行滲碳處理(lǐ)，使碳呈梯度分(fēn)布，然後激光(guāng)相變處理(lǐ)。在複合處理(lǐ)作用(yòng)下(xià)，硬化(huà)層分(fēn)成3個區：第一區爲表層完全淬硬區，其最表面爲針狀馬氏體＋滲碳體＋殘留奧氏體，次表面爲針狀馬氏體＋闆條馬氏體＋殘留奧氏體；第二區爲過渡層，由馬氏體＋回火析出碳化(huà)物(wù)組成；第三區爲高(gāo)溫回火區，由回火索氏體組成。 随著(zhe)經濟發展，對機械零部件的(de)性能要求将是多(duō)種多(duō)樣的(de)，采用(yòng)一種熱處理(lǐ)工藝往往難以解決問題。因此複合熱處理(lǐ)技術的(de)市場需求會有一定程度的(de)增長。 2.5 激光(guāng)沖擊硬化(huà) 激光(guāng)沖擊處理(lǐ)(LSP)主要是利用(yòng)強激光(guāng)與材料表面相互作用(yòng)産生的(de)力學效應——強應力波來改善材料性能。此技術能有效地強化(huà)鋼、鋁、钛、鎳等金屬材料，特别是2024T3鋁合金經激光(guāng)沖擊強化(huà)後，疲勞壽命提高(gāo)4倍。近年來，我國從3個方面開展對激光(guāng)沖擊處理(lǐ)的(de)研究：①激光(guāng)沖擊處理(lǐ)對金屬性能的(de)影(yǐng)響及工程應用(yòng)；②激光(guāng)沖擊強化(huà)的(de)微觀機理(lǐ)；③激光(guāng)沖擊處理(lǐ)的(de)強化(huà)效果的(de)無損檢測。 江蘇理(lǐ)工大(dà)學及南(nán)京大(dà)學[11]對2024T62鋁合金進行激光(guāng)沖擊處理(lǐ)，激光(guāng)沖擊區的(de)硬度提高(gāo)42%，在95%置信度下(xià)，LSP試件的(de)中值疲勞壽命是未激光(guāng)沖擊試樣的(de)5.4～14.5倍。江蘇理(lǐ)工大(dà)學[12]也(yě)對常用(yòng)的(de)45鋼進行激光(guāng)沖擊處理(lǐ)，LSP區硬度提高(gāo)32%，LSP試件的(de)中值疲勞壽命是未沖擊試件的(de)1.11～2.133倍(置信度95%)。由于激光(guāng)沖擊的(de)應力波持續時間極短(微秒)，特别是指有效地處理(lǐ)成品零件上具有應力集中的(de)局部區域，例如提高(gāo)成品零件上拐角、孔、槽等局部區域的(de)疲勞壽命，所以LSP技術的(de)工程應用(yòng)前景較好。華中理(lǐ)工大(dà)學[13]的(de)研究工作表明(míng)，激光(guāng)沖擊處理(lǐ)大(dà)幅度提高(gāo)LY12-CZ鋁合金的(de)疲勞壽命的(de)微觀機理(lǐ)是激光(guāng)沖擊後的(de)位錯密度提高(gāo)21倍以及在材料表面産生49.43MPa的(de)殘餘壓應力。在激光(guāng)沖擊處理(lǐ)的(de)退火态T8鋼中[14]看到了(le)由于激光(guāng)沖擊誘發相變而産生的(de)馬氏體組織，解釋了(le)硬度提高(gāo)2倍的(de)原因。再按照(zhào)壓電轉化(huà)原理(lǐ)，計算(suàn)出[15]激光(guāng)沖擊在LY12-CZ鋁合金中形成的(de)瞬态沖擊波的(de)量值爲MPa級，并且激光(guāng)沖擊波是由一系列不同頻率的(de)波疊加的(de)結果，其中高(gāo)頻波所占比例較大(dà)。南(nán)京大(dà)學[16]提出用(yòng)表面粗糙度和(hé)微凹坑兩個表面質量指标并分(fēn)成4個等級，作爲在實際生産應用(yòng)中判别和(hé)控制激光(guāng)沖擊強化(huà)效果的(de)無損檢測手段。 由上所述，我國已在激光(guāng)沖擊硬化(huà)的(de)應用(yòng)基礎方面做(zuò)了(le)大(dà)量的(de)研究，得(de)到了(le)比較明(míng)确的(de)研究結果，現在問題的(de)關鍵是要盡快(kuài)推出具有合适性能價格比的(de)LSP工業應用(yòng)裝備。 3 激光(guāng)熔凝 3.1 激光(guāng)快(kuài)速熔凝條件下(xià)凝固規律的(de)研究 許多(duō)研究表明(míng)，激光(guāng)快(kuài)速熔凝條件下(xià)，材料的(de)凝固具有高(gāo)溫度梯度和(hé)高(gāo)凝固速率的(de)特點，傳統的(de)凝固理(lǐ)論不能完整地、确切地揭示此時材料凝固的(de)規律。近年來國内外許多(duō)研究者做(zuò)了(le)大(dà)量工作。其中西北(běi)工業大(dà)學凝固技術國家重點實驗室系統地開展了(le)激光(guāng)快(kuài)速熔凝條件下(xià)的(de)基礎研究。在激光(guāng)快(kuài)速凝固微觀組織形成原理(lǐ)[17]一文中介紹了(le)激光(guāng)快(kuài)速凝固微觀組織的(de)界面溫度選擇原理(lǐ)，以及單相平面前沿、單相枝晶和(hé)平面共晶生長3種典型的(de)界面響應函數及其在預言單相合金、共晶合金和(hé)包晶合金激光(guāng)快(kuài)速凝固微觀組織中的(de)應用(yòng)。 3.2 不同基底材料上的(de)激光(guāng)熔覆 激光(guāng)熔覆的(de)基底材料大(dà)多(duō)采用(yòng)廉價的(de)普通(tōng)碳鋼和(hé)鑄鐵。近年來清華大(dà)學對鋁合金作爲基底材料的(de)激光(guāng)熔覆做(zuò)了(le)許多(duō)工作[18]：用(yòng)送粉激光(guāng)熔覆法在鋁基體表面成功地獲得(de)了(le)均勻緻密的(de)SiO2塗層和(hé)Al2O3-TiO2塗層。SiO2塗層厚度爲10～30μm，Al2O3-TiO2塗層厚度可(kě)達100μm，塗層内部緻密無缺陷，塗層與鋁基體結合良好。重慶大(dà)學[19]對钛合金基底材料上用(yòng)激光(guāng)束合成與塗覆生物(wù)陶瓷塗層獲得(de)成功。中科院金屬所[20]在Ni基高(gāo)溫合金基底上用(yòng)NiCrBSi和(hé)NiCrAlY兩種合金粉與ZrO2的(de)混合粉進行激光(guāng)熔覆，獲得(de)了(le)不同結構熱障塗層。 3.3 熔覆材料及陶瓷相的(de)研究 激光(guāng)熔覆材料最常用(yòng)Ni基材料，Co基與Fe基也(yě)有使用(yòng)。海軍後勤學院[21]研究了(le)在45鋼表面制備Co-TiC-WC金屬陶瓷複合層，硬度和(hé)耐磨性高(gāo)。華中理(lǐ)工大(dà)學[22]在Q235(A3)鋼表面制備Fe-WC金屬陶瓷複合層，并研制了(le)一種适用(yòng)于激光(guāng)熔覆的(de)Cu基合金和(hé)SiCp的(de)複合粉[23]。一方面兼顧Cu基合金的(de)優良性能；另一方面，通(tōng)過加入SiCp，改善組織，提高(gāo)覆層的(de)硬度和(hé)耐磨性。清華大(dà)學[24]提出：采用(yòng)熱噴塗合金粉末作爲激光(guāng)熔覆材料容易帶來氣孔和(hé)裂紋問題，研究了(le)Fe-C-Si-B合金粉，可(kě)獲得(de)按介穩系結晶的(de)組織，其細化(huà)程度比C-Si-B激光(guāng)合金化(huà)有很大(dà)提高(gāo)，添加少量CaF2可(kě)顯著改善熔覆材料的(de)工藝性能。在激光(guāng)熔覆材料中添加稀土是許多(duō)研究者所關注的(de)，中科院金屬所[25]通(tōng)過激光(guāng)快(kuài)速熔凝處理(lǐ)鋼表面含稀土的(de)塗層，研究了(le)稀土在鋼表層的(de)加入量和(hé)對鋼表層性能的(de)影(yǐng)響。結果表明(míng)：激光(guāng)熔凝處理(lǐ)含稀土的(de)塗層可(kě)使較多(duō)的(de)稀土加入鋼表層，C-N-B-Ti＋RESiFe塗層激光(guāng)處理(lǐ)後其表面稀土含量爲0.35%，Ni-Cr-B-Si＋RESiFe塗層激光(guāng)處理(lǐ)後其表面稀土含量爲5.5%。加入表層的(de)稀土在改性層中沿深度分(fēn)布較爲均勻，不存在明(míng)顯的(de)濃度梯度，表層組織均勻。稀土矽鐵的(de)加入使鋼表層的(de)耐磨性、抗氧化(huà)性等都有較明(míng)顯的(de)提高(gāo)。 激光(guāng)熔覆的(de)陶瓷相以采用(yòng)碳化(huà)物(wù)的(de)工作較多(duō)，如TiC[26]和(hé)WC[27]等。有的(de)研究工作采用(yòng)氧化(huà)物(wù)，如Al2O3、TiO2和(hé)SiO2[18]等。中科院金屬腐蝕所研究了(le)硼化(huà)物(wù)作爲陶瓷相[28]。 3.4 激光(guāng)熔覆工藝的(de)研究 激光(guāng)熔覆工藝可(kě)以分(fēn)成兩類：一類是激光(guāng)處理(lǐ)前供給添加材料；另一類是激光(guāng)處理(lǐ)過程中供給添加材料。第一類主要用(yòng)粉末預置法，可(kě)以用(yòng)粘結、火焰噴塗和(hé)等離子噴塗等；第二類是自動送粉法。天津紡織工學院研制成功大(dà)面積自動塗覆系統[29]，适用(yòng)激光(guāng)功率1～10kW，可(kě)用(yòng)于寬帶塗覆，也(yě)可(kě)直接用(yòng)于聚焦窄帶塗覆。單道一次塗覆寬10～35mm(可(kě)調)，單道一次塗覆厚度0.2～8mm(可(kě)控)，送粉量0.5～200g／min(可(kě)調)，送粉精度＜2%。 3.5 激光(guāng)熔凝形成非晶态 天津理(lǐ)工學院對Fe-B合金激光(guāng)熔凝形成非晶态的(de)機理(lǐ)進行探討(tǎo)[30]，提出了(le)一個簡化(huà)的(de)熔池中溫度分(fēn)布的(de)物(wù)理(lǐ)模型，分(fēn)析了(le)非晶态形成過程，經試驗得(de)到了(le)130μm～200μm厚度的(de)非晶層。由于金屬非晶的(de)獨特性能，用(yòng)激光(guāng)熔凝技術在金屬零部件的(de)局部表面制備一層非晶顯然極具吸引力，許多(duō)單位正在努力研究和(hé)開發。 3.6 激光(guāng)熔覆層的(de)性能及其應用(yòng) (1) 耐磨 目前開展的(de)大(dà)量激光(guāng)熔覆工作，主要是在零部件的(de)局部表面制備高(gāo)耐磨的(de)熔覆層[18，21～23，26，27]。 (2) 耐腐蝕 南(nán)京航空航天大(dà)學[31]在Q235鋼表面激光(guāng)熔覆C-N-B-Ti加稀土矽鐵以及Ni-Cr-B-Si加稀土矽鐵。結果表明(míng)：鋼表層中的(de)過飽和(hé)稀土除和(hé)氧、硫作用(yòng)外，還可(kě)固溶于晶内、晶界或其附近，甚至能形成金屬間化(huà)合物(wù)RE2Fe17；經過稀土和(hé)激光(guāng)熔凝處理(lǐ)的(de)表面具有較高(gāo)的(de)耐腐蝕性能。中南(nán)工學院[32]在耐酸不鏽鋼基體上激光(guāng)熔覆Co基合金，得(de)到的(de)熔層與等離子焊層對比，激光(guāng)熔層缺陷率低，成品率高(gāo)。其組織細密均勻，晶粒細小，成分(fēn)稀釋率更小，對基體熱影(yǐng)響小，熔層硬度與強韌性提高(gāo)。性能試驗表明(míng)，激光(guāng)熔層具有更高(gāo)的(de)耐腐蝕性能。在石油化(huà)工閥門密封面奧氏體基體上激光(guāng)熔覆Ni基合金[33]，能獲得(de)厚度達3.0mm和(hé)表面較平整光(guāng)滑的(de)合金層，可(kě)用(yòng)于加工或修複，在組織和(hé)性能上均明(míng)顯優于等離子噴焊工藝。 (3) 制備功能梯度材料 由于覆層和(hé)基體之間的(de)性能差别很大(dà)，使用(yòng)中往往容易界面失效。爲此研制可(kě)以消除界面的(de)功能梯度材料，使覆層的(de)組成和(hé)性能沿厚度方向連續梯度變化(huà)。在探索激光(guāng)熔覆陶瓷／金屬梯度覆層時，最初采用(yòng)疊層熔覆法，逐層改變混合粉中陶瓷顆粒的(de)含量和(hé)粒度，經多(duō)層熔覆後，陶瓷顆粒在覆層中的(de)分(fēn)布規律呈台階變化(huà)。此法沿用(yòng)覆層和(hé)基體之間引入過渡層的(de)思路，陶瓷顆粒在每一層中保持均勻分(fēn)布，層與層之間的(de)組織變化(huà)不連續，仍有界面問題。北(běi)京工業大(dà)學[34]采用(yòng)激光(guāng)一步塗覆法，利用(yòng)激光(guāng)熔池的(de)流動和(hé)凝固行爲，依靠TiC顆粒在熔池中不斷長大(dà)和(hé)有規律運動，在激光(guāng)束一次熔凝過程中自動實現塗層的(de)連續梯度結構，成功地在鋼基表面熔覆制備了(le)TiCp／Ni自生梯度塗層。熔覆層的(de)組織由TiC顆粒，γ-Ni枝狀初晶及枝晶間共晶組成。從熔覆層底部到頂部，TiC顆粒呈現連續的(de)梯度變化(huà)，即顆粒尺寸從0.8μm增長到4.5μm；體積含量從4%增加到33%；TiC顆粒的(de)形貌也(yě)相應地從球形細小顆粒過渡到粗大(dà)的(de)花瓣狀粒子簇。TiC顆粒的(de)快(kuài)速長大(dà)主要來自顆粒的(de)碰撞和(hé)粘結，凝固前沿對浮升速度相對較慢(màn)的(de)TiC小顆粒優先捕獲，是導緻熔覆層梯度結構原位生成的(de)決定因素。 (4) 制備複合生物(wù)工程材料 重慶大(dà)學[19]在完成了(le)奧氏體不鏽鋼表面同步實現激光(guāng)合成與塗覆工藝制備生物(wù)陶瓷基礎上[35]，又在比強度高(gāo)、耐蝕性好、醫療用(yòng)途更廣的(de)钛合金表面成功地實現激光(guāng)束一步合成和(hé)塗覆含Ca5(PO4)3*(OH)羟基磷灰石(HA)的(de)生物(wù)陶瓷塗層。該塗層具有優良的(de)力學性能，也(yě)改善了(le)植入材料彈性模量與生物(wù)硬組織的(de)匹配性。研究發現，加入微量稀土(Y2O3)不僅有利于激光(guāng)化(huà)學反應生成HA相，增強其結構穩定性，而且可(kě)細化(huà)組織，提高(gāo)強韌性。 3.7 激光(guāng)熔覆層的(de)殘餘應力及開裂的(de)原因與預防 采用(yòng)激光(guāng)熔覆技術可(kě)以獲得(de)耐磨損、耐腐蝕的(de)塗層，有良好的(de)經濟效益和(hé)應用(yòng)前景。但是激光(guāng)熔覆層可(kě)能存在氣孔和(hé)裂紋的(de)缺陷，這是必須加以認真研究和(hé)解決的(de)。 重慶大(dà)學[36]研究了(le)球墨鑄鐵激光(guāng)熔覆時出現的(de)裂紋。把裂紋按産生的(de)位置分(fēn)成3類：熔凝層裂紋、界面基體裂紋和(hé)搭接區裂紋。其中界面基體裂紋最常見。裂紋的(de)形成受力學因素、冶金因素尤其受基體材料的(de)缺陷所影(yǐng)響。通(tōng)過控制激光(guāng)處理(lǐ)工藝和(hé)調整合金成分(fēn)，制備含C、B、Si量較低的(de)複合粉末；通(tōng)過預先熔凝處理(lǐ)，細化(huà)基材表面晶粒；通(tōng)過預塗覆處理(lǐ)等措施來降低塗層宏觀裂紋率。華中理(lǐ)工大(dà)學[37]研究了(le)激光(guāng)熔覆組織和(hé)激光(guāng)熔覆層熱膨脹系數對開裂敏感性的(de)影(yǐng)響。 大(dà)量的(de)研究已經表明(míng)：激光(guāng)熔凝層内存在拉應力，當局部應力超過材料的(de)強度極限時就會産生裂紋。裂紋産生的(de)部位往往在枝晶界、氣孔、夾雜物(wù)等薄弱環節處。激光(guāng)熔凝層的(de)殘餘應力可(kě)通(tōng)過設法提高(gāo)熔凝層材料自身的(de)塑變能力，降低它的(de)耐軟化(huà)溫度得(de)以一定程度的(de)松弛，也(yě)可(kě)通(tōng)過預熱或後熱予以減小甚至消除。當然設法減少覆層材料的(de)缺陷也(yě)是降低開裂敏感性的(de)有效途徑。界面基體裂紋多(duō)産生于熔凝層與基體界面處、基材熔化(huà)區或熱影(yǐng)響區内的(de)缺陷處，如果該區域發生比容增大(dà)的(de)馬氏體相變則會加劇此類裂紋的(de)生成，因此提高(gāo)此區域材料的(de)自身韌性，有效減少各種缺陷，不失爲避免或減少此類開裂的(de)有效途徑。而鑄鐵類基材的(de)激光(guāng)熔覆則往往難以避免界面基體裂紋的(de)産生。對搭接區裂紋目前研究得(de)不多(duō)，看來在較高(gāo)的(de)激光(guāng)入射功率條件下(xià)，通(tōng)過光(guāng)束處理(lǐ)技術及适當的(de)工件運動，完成較大(dà)面積的(de)均勻的(de)激光(guāng)熔覆是可(kě)能的(de)。 4 激光(guāng)合金化(huà) 早期的(de)激光(guāng)合金化(huà)工作[38，39]偏重于工藝參數、組織和(hé)性能的(de)研究。在激光(guāng)合金化(huà)層中，存在表面不平整和(hé)出現裂紋及氣孔的(de)兩個重要問題，對此許多(duō)研究者做(zuò)了(le)大(dà)量的(de)工作，提出了(le)解決辦法。近期我國的(de)激光(guāng)合金化(huà)工作，有兩項值得(de)注意的(de)進展。一項是清華大(dà)學把激光(guāng)合金化(huà)技術應用(yòng)到實際産品上[40，41]；另一項是北(běi)京航空航天大(dà)學采用(yòng)激光(guāng)合金化(huà)工藝來強化(huà)新型高(gāo)溫結構材料——TiAl金屬間化(huà)合物(wù)，提高(gāo)其耐磨性[42]。清華大(dà)學結合沙漠車用(yòng)F8L413F八缸風冷(lěng)柴油機研制陶瓷挺柱的(de)科技攻關，在45鋼凸輪軸上成功地實現一種激光(guāng)熔凝和(hé)激光(guāng)合金化(huà)複合的(de)表面強化(huà)新工藝[40]。采用(yòng)自行研制的(de)TH-2型共晶合金化(huà)塗料，在凸輪的(de)桃尖部分(fēn)進行激光(guāng)合金化(huà)處理(lǐ)，使其硬度達到60～67HRC，合金化(huà)層深1.3～1.5mm；凸輪的(de)其它部分(fēn)進行激光(guāng)快(kuài)速熔凝處理(lǐ)，獲得(de)硬度55HRC，硬化(huà)層深0.8～1.0mm。凸輪強化(huà)表面平整均勻，無氣孔和(hé)裂紋，實現了(le)合理(lǐ)連續的(de)組織與硬度搭配，凸輪軸處理(lǐ)後無需校直。發動機經500h台階試驗和(hé)沙漠車上5個月(yuè)使用(yòng)考核，表明(míng)激光(guāng)強化(huà)的(de)凸輪具有優異的(de)耐磨性和(hé)抗疲勞性能。此外還爲沙漠車用(yòng)柴油機研制激光(guāng)合金化(huà)的(de)活塞環[41]：活塞環基材是球墨鑄鐵，在激光(guāng)加熱時，石墨氣化(huà)形成氣孔及裂紋。解決途徑是采用(yòng)自制TH-2，C-Si-B-RE共晶合金化(huà)塗料。由于熔池内的(de)金屬液形成FeCSi共晶或過共晶，具有很低的(de)熔點和(hé)良好的(de)流動性，有利于雜質和(hé)氣體逸出；塗料中含有的(de)微量稀土，在Fe-C合金液中有強烈的(de)淨化(huà)和(hé)除氣作用(yòng)。同時在TH-2共晶合金化(huà)塗料中添加WC、TiC陶瓷粉末，得(de)到的(de)組織是高(gāo)硬度的(de)WC、TiC質點彌散分(fēn)布在細? ⒕取⒅旅艿墓簿eCSiB介穩基底上。結果活塞環的(de)合金化(huà)層平均顯微硬度達1200HV。這種活塞環和(hé)等離子噴塗陶瓷塗層缸套配對在摩擦學試驗和(hé)模拟沙漠使用(yòng)環境的(de)發動機台架試驗中顯示出優異的(de)耐磨性。 北(běi)京航空航天大(dà)學[42]采用(yòng)激光(guāng)氣體合金化(huà)工藝方案，在TiAl金屬間化(huà)合物(wù)的(de)激光(guāng)表面快(kuài)速熔化(huà)過程中，強行向激光(guāng)高(gāo)溫熔池中引入高(gāo)純氮氣，“原位”地在合金表面制得(de)以高(gāo)硬度、高(gāo)耐磨的(de)氮化(huà)钛爲增強相的(de)表面改性層。試驗結果表明(míng)激光(guāng)氣體合金化(huà)對提高(gāo)TiAl金屬間化(huà)合物(wù)的(de)耐磨性是一種很有前途的(de)表面改性新技術。此外，還與華中理(lǐ)工大(dà)學合作，用(yòng)激光(guāng)合金化(huà)生成TiC的(de)方案來提高(gāo)TiAl金屬間化(huà)合物(wù)的(de)耐磨性[43]：在TiAl金屬間化(huà)合物(wù)表面均勻塗覆碳粉，用(yòng)CO2激光(guāng)進行激光(guāng)表面合金化(huà)，制得(de)了(le)以硬質TiC爲增強相的(de)快(kuài)速凝固“原位”複合材料表面改性層。激光(guāng)表面改性層顯微硬度和(hé)組織具有較明(míng)顯的(de)梯度漸變特征。清華大(dà)學近年來與法國焊接研究所合作[44]，研制大(dà)面積激光(guāng)合金化(huà)層。用(yòng)45kW CO2激光(guāng)器，在XC38碳鋼上，對CSiB＋NiMoCo塗層進行激光(guāng)合金化(huà)處理(lǐ)，獲得(de)了(le)表面光(guāng)潔、無氧化(huà)和(hé)無裂紋缺陷的(de)大(dà)面積合金化(huà)層。合金化(huà)區的(de)微觀組織由馬氏體、殘留奧氏體和(hé)多(duō)元共晶所組成，其硬度爲61～65HRC。 5 工程應用(yòng) 激光(guāng)熱處理(lǐ)技術已在我國得(de)到了(le)一定規模的(de)工業應用(yòng)，成功的(de)例子很多(duō)，舉例如下(xià)。 5.1 激光(guāng)毛化(huà)冷(lěng)軋輥 爲了(le)生産沖壓或深沖壓用(yòng)的(de)優質毛面薄鋼闆，軋鋼廠需要對工作軋輥表面進行毛化(huà)處理(lǐ)。以往軋輥毛化(huà)的(de)方法是噴丸處理(lǐ)，但難以精确控制軋輥表面的(de)形貌和(hé)粗糙度，爲了(le)解決這一問題，國内外均做(zuò)了(le)大(dà)量研究。中科院力學所研究成功軋輥激光(guāng)毛化(huà)技術[45]。軋輥激光(guāng)毛化(huà)技術又稱激光(guāng)織構化(huà)，出自于Texturing the Roughness of Work Rolls by Means of Laser Pulses[46]。 軋輥激光(guāng)毛化(huà)技術可(kě)以精确控制所加工軋輥表面的(de)形貌和(hé)粗糙度，軋制生産的(de)激光(guāng)毛面鋼闆具有優良的(de)沖壓成形性能和(hé)塗漆光(guāng)亮度，其塑性變形能力有所改善，明(míng)顯優于同材質的(de)光(guāng)面闆和(hé)噴丸毛面闆。激光(guāng)毛化(huà)技術可(kě)以在毛化(huà)的(de)同時，使激光(guāng)作用(yòng)區的(de)材料獲得(de)超常硬度，給軋面帶來超常的(de)強韌化(huà)效果，延長軋輥使用(yòng)壽命。軋制低碳鋼闆的(de)激光(guāng)輥壽命是普通(tōng)輥的(de)3～5倍；冷(lěng)軋65Mn鋼的(de)激光(guāng)輥壽命是普通(tōng)輥的(de)2～3倍；平整軋制低碳沖壓用(yòng)毛面闆的(de)激光(guāng)輥壽命比普通(tōng)輥的(de)提高(gāo)5～10倍。此外激光(guāng)毛化(huà)加工也(yě)可(kě)改善軋輥使用(yòng)性能，由于優化(huà)摩擦條件，軋制時不易打滑和(hé)粘連，軋制速度可(kě)提高(gāo)一倍以上，消除闆卷退火粘結現象，可(kě)進一步優化(huà)軋制參數，甚至可(kě)用(yòng)激光(guāng)輥實現異步軋制。通(tōng)常大(dà)面積的(de)激光(guāng)處理(lǐ)采用(yòng)連續掃描，由線及面地進行，此時存在掃描帶重疊造成回火軟帶和(hé)掃描帶不重疊所緻表面各向異性的(de)問題。爲此，提出用(yòng)脈沖激光(guāng)離散熔凝處理(lǐ)代替激光(guāng)連續掃描工藝。軋輥的(de)激光(guāng)毛化(huà)技術就是脈沖激光(guāng)離散熔凝處理(lǐ)技術的(de)成功的(de)應用(yòng)。 冷(lěng)軋輥的(de)激光(guāng)毛化(huà)技術已在我國獲得(de)一定規模的(de)工業應用(yòng)。1990年3月(yuè)中科院力學所在中國大(dà)恒、北(běi)京吉普汽車、首鋼鋼研所協作下(xià)，開展YAG激光(guāng)毛化(huà)冷(lěng)軋輥工藝攻關，至1992年6月(yuè)研制成功第一台可(kě)用(yòng)于帶鋼規模生産的(de)YAG激光(guāng)毛化(huà)冷(lěng)軋輥實驗裝置。1992年8月(yuè)開始用(yòng)于秦皇島龍騰精密帶鋼公司生産，1994年3套大(dà)、中、小型YAG激光(guāng)毛化(huà)冷(lěng)軋輥成套設備分(fēn)别在天津市冷(lěng)軋薄闆廠、鞍山帶鋼廠、無錫遠方帶鋼廠投産。僅一年時間，天津冷(lěng)軋薄闆廠近十萬噸優質激光(guāng)毛化(huà)闆投放市場，使我國繼比利時、日本、德國之後世界上第四個掌握激光(guāng)毛化(huà)冷(lěng)軋輥新技術并用(yòng)于規模生産的(de)國家。1995年華中理(lǐ)工大(dà)學、武鋼、武漢重機合作研制成功CO2激光(guāng)毛化(huà)冷(lěng)軋輥裝備并試軋了(le)300t CO2激光(guāng)毛化(huà)鋼闆。上述成果說明(míng)了(le)激光(guāng)毛化(huà)技術和(hé)裝備及其工業應用(yòng)是我國激光(guāng)熱處理(lǐ)産業化(huà)進程中，産、學、研相結合獲得(de)巨大(dà)成功的(de)一個突出例子，值得(de)推廣。 5.2 熱軋輥的(de)激光(guāng)強化(huà) 廣州富通(tōng)公司是一家民營高(gāo)科技企業，于1994年開始進行激光(guāng)加工技術的(de)應用(yòng)開發工作，已開發成功GFT激光(guāng)多(duō)功能加工機床[47]，用(yòng)來對冶金大(dà)宗消耗件和(hé)其他(tā)各類機械零件進行激光(guāng)表面改性和(hé)修複，1998年4月(yuè)取得(de)冶金工業部的(de)鑒定證書。其中對熱軋輥的(de)處理(lǐ)取得(de)如下(xià)效果： 軋輥名稱材質處理(lǐ)前處理(lǐ)後表面硬度(HRC)軋鋼量／t表面硬度HRC軋鋼量／t壽命對比65070Mn2鋼2590057～601800提高(gāo)一倍500CrMo球鐵20700551300提高(gāo)80%450CrMo球鐵37700571100提高(gāo)55%300CrNiMo冷(lěng)硬鑄鐵 1000 1500提高(gāo)50% 目前該企業主要産品GFT激光(guāng)熱處理(lǐ)機已進入新疆八鋼和(hé)邯鋼、萊鋼、濟鋼、玉柴等大(dà)中型企業，市場前景良好。 5.3 汽缸體和(hé)缸套内壁的(de)激光(guāng)強化(huà) 汽缸體和(hé)缸套的(de)激光(guāng)強化(huà)是激光(guāng)熱處理(lǐ)技術在我國最早獲得(de)實際應用(yòng)的(de)實例。目前激光(guāng)缸套的(de)生産企業以西安内燃機配件廠爲代表[48]，該廠1990年10月(yuè)建成全國第一條缸套激光(guāng)熱處理(lǐ)生産線，至1998年底已建成24條激光(guāng)熱處理(lǐ)生産線，生産能力達到年産120萬隻激光(guāng)缸套，耐磨性比普通(tōng)缸套提高(gāo)25%～30%以上，使缸套壽命從6000～8000h提高(gāo)到10000h以上，同時具有優越的(de)配副性和(hé)抗拉缸性能，還可(kě)配用(yòng)任何材質的(de)活塞環，與之相匹配的(de)活塞環的(de)壽命可(kě)提高(gāo)30%～46%以上，并且可(kě)縮短初期磨合時間。而已在汽車修理(lǐ)行業獲得(de)廣泛應用(yòng)的(de)激光(guāng)強化(huà)裝備以青島中發激光(guāng)技術有限公司的(de)産品較多(duō)[49]，該公司已開發生産了(le)5種型号的(de)激光(guāng)強化(huà)機，市場信譽良好。據統計，該公司産品已在國内近80家汽車大(dà)修廠、镗缸磨軸廠、缸套廠、大(dà)專院校和(hé)科研院所使用(yòng)，取得(de)明(míng)顯的(de)經濟效益。 5.4 各種機械零部件局部表面的(de)激光(guāng)強化(huà) 上海工程技術大(dà)學在對球鐵的(de)激光(guāng)熱處理(lǐ)進行系統深入研究基礎上與中國迅達電梯公司上海電梯廠緊密合作，研制成功電梯正弦輪V型槽面的(de)激光(guāng)強化(huà)技術[50]，經瑞士迅達電梯公司多(duō)次派專家進行質量評估，确認完全符合質量要求，自1991年以來，已将此工藝列入中國迅達公司的(de)生産工藝，已累計産生直接經濟效益超過1200萬元，發展前景良好。 勝利油田鑽井工藝研究院自1993年以來，爲油田鑽采作業解決了(le)一系列關鍵零件的(de)激光(guāng)強化(huà)問題。已投入生産的(de)零件有：①組合抽油泵缸套的(de)激光(guāng)淬火；②整筒泵泵筒(長7m，内徑56～83mm)的(de)激光(guāng)淬火機床研制及激光(guāng)處理(lǐ)工藝開發；③鑽井、修井用(yòng)的(de)27／8″鑽杆接頭的(de)激光(guāng)強化(huà)；④高(gāo)壓柱塞泵柱塞的(de)激光(guāng)陶瓷合金化(huà)。 天津修船技術研究所1997年建成激光(guāng)加工中心，已爲船舶行業的(de)壓縮機缸體、船用(yòng)發電機組大(dà)模數齒輪、船用(yòng)主機大(dà)直徑缸套、減速器齒輪進行激光(guāng)強化(huà)，還成功地解決了(le)食品機械大(dà)直徑QT700-2曲軸主軸頸和(hé)偏心軸頸的(de)激光(guāng)強化(huà)工藝。 中科院沈陽金屬腐蝕研究所在對某航空發動機葉片激光(guāng)熔覆修複取得(de)成功的(de)基礎上，把激光(guāng)熔覆技術在航空發動機上的(de)應用(yòng)朝産業化(huà)方向發展。 清華大(dà)學激光(guāng)加工研究中心近幾年在以下(xià)項目取得(de)較大(dà)進展：①激光(guāng)共晶合金化(huà)—激光(guāng)熔凝複合強化(huà)45鋼風冷(lěng)柴油機凸輪軸；②球墨鑄鐵活塞環的(de)激光(guāng)陶瓷合金化(huà)；③在FeCSiBRE系激光(guāng)合金化(huà)基礎上，開拓Fe-C合金表面激光(guāng)非晶化(huà)；④輕型車凸輪軸螺旋齒輪的(de)激光(guāng)強化(huà)；⑤艦船主輔機關鍵零件的(de)激光(guāng)強化(huà)；⑥FeCSiB激光(guāng)熔覆專用(yòng)合金粉末開發等。 還有不少已取得(de)重要突破的(de)項目，例如中科院沈陽金屬所的(de)激光(guāng)制備納米新材料等，限于篇幅，不能在此詳細列出。可(kě)以預期，随著(zhe)我國經濟建設的(de)發展，尤其是制造業的(de)發展，激光(guāng)熱處理(lǐ)技術及其裝備的(de)研究、開發将會得(de)到更深入的(de)發展及更大(dà)規模的(de)工業應用(yòng)。中國機械工程學會熱處理(lǐ)學會高(gāo)能密度熱處理(lǐ)技術委員會自1984年12月(yuè)在湖北(běi)十堰市成立以來，已召開了(le)七屆全國高(gāo)能密度熱處理(lǐ)學術年會，其中包括一屆國際年會，對我國激光(guāng)熱處理(lǐ)的(de)發展起了(le)一定的(de)促進作用(yòng)，今後将繼續在組織學術交流、技術培訓、決策咨詢、可(kě)行性研究和(hé)促進産、學、研結合等方面作出努力。 參考文獻： [1]劉江龍，鄒至榮．激光(guāng)相變硬化(huà)機理(lǐ)〔C〕．全國高(gāo)能密度熱處理(lǐ)學術年會(86’)，1985，12． [2]陳傳忠，于家洪，王世清．W18Cr4V高(gāo)速鋼激光(guāng)相變硬化(huà)的(de)組織及性能．山東工業大(dà)學，1992．10． [3]張光(guāng)鈞，戈大(dà)钫．激光(guāng)提高(gāo)鑄鐵缸套磨損壽命的(de)研究〔J〕．應用(yòng)激光(guāng)，1998，18(6)． 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