摘 要：作者從4個(gè)方面介紹了近年來我國(guó)激光熱處理的現(xiàn)狀及發(fā)展：(1)激光硬化；(2)激光熔覆；(3)激光合金化；(4)工程應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：激光相變硬化；激光沖擊硬化；激光熔覆；激光合金化 1 前言 我國(guó)激光熱處理的研究、開發(fā)和應(yīng)用，自70年代由鐵科院金化所和中科院長(zhǎng)春光機(jī)所等單位率先開展以來，已有20多年的歷史。迄今，我國(guó)開展激光熱處理的單位已遍及除西藏以外的各? ⒆災(zāi)吻⒅畢絞小Ｔ詮搖傲濉薄ⅰ捌呶濉薄ⅰ鞍宋濉薄ⅰ熬盼濉憊ス睪汀?63”計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金和各地的科技發(fā)展基金的支持和引導(dǎo)下，取得了大量有價(jià)值的研究成果，并有若干突破性進(jìn)展，取得了一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。在我國(guó)，激光熱處理領(lǐng)域的產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的格局已經(jīng)初步形成。可以預(yù)期，經(jīng)過堅(jiān)持不懈的努力，將有更多的突破，市場(chǎng)的開拓也必定會(huì)有更大的進(jìn)展。 2 激光硬化 2.1 激光相變硬化的強(qiáng)化機(jī)理和組織的研究 重慶大學(xué)[1]對(duì)GCr15鋼經(jīng)激光淬火后引起高硬度(1065HV)的原因用光學(xué)金相、掃描和透射電鏡、X光衍射儀、俄歇分析儀及電子探針作了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。提出GCr15鋼激光相變硬化機(jī)理為：①以馬氏體相變強(qiáng)化為主，馬氏體很細(xì)，尺寸為0.196μm×1.8μm，馬氏體位錯(cuò)密度很高，達(dá)2.3×1012條／cm3，馬氏體的含碳量高達(dá)0.90%；②殘留奧氏體顯著強(qiáng)化，其位錯(cuò)密度達(dá)3.6×1012條／cm3；③晶粒超細(xì)化(ASTM No．16)和碳化物細(xì)化(最表面處為0.59μm，離表面0.1mm處為0.41μm)及彌散分布。山東工業(yè)大學(xué)[2]對(duì)W18Cr4V高速鋼經(jīng)激光相變硬化后的強(qiáng)化機(jī)理和組織性能作了研究：激光相變區(qū)的晶粒由原來的8級(jí)提高到12級(jí)，殘留奧氏體量較常規(guī)淬火有明顯減少，約10%～15%，相變區(qū)的馬氏體為針狀馬氏體和板條馬氏體的混合組織。激光快速加熱時(shí)間雖短，仍存在碳化物的不完全溶解以及碳和合金元素的不充分?jǐn)U散，擴(kuò)散距離約數(shù)百nm數(shù)量級(jí)，碳化物的溶解以尖角-均勻溶解機(jī)制進(jìn)行。激光相變硬化層的硬度峰值為946HV，紅硬性比常規(guī)淬火高出80℃，640℃回火后硬度峰值達(dá)到1003HV，耐磨性較常規(guī)熱處理提高1～2.8倍，經(jīng)640℃回火后耐磨性提高5.3～8.1倍，刀具的切削性能提高2倍以上。上海工程技術(shù)大學(xué)[3]研究了硼鑄鐵的激光熱處理，研究表明：硼鑄鐵經(jīng)激光處理后，磨損值降低45.7%。激光熱處理提高硼鑄鐵耐磨性的原因是激光硬化層的高硬度及合理的硬度梯度以及局部熔化區(qū)對(duì)石墨片割裂的封閉。關(guān)于強(qiáng)化機(jī)理的研究還有許多精彩的報(bào)道，限于篇幅無法一一列出，但這些工作已經(jīng)并將繼續(xù)為激光相變硬化的工程應(yīng)用作出積極的貢獻(xiàn)。 2.2 激光相變硬化的溫度場(chǎng)及相變硬化區(qū)尺寸的計(jì)算 為了實(shí)現(xiàn)激光相變硬化工藝的計(jì)算機(jī)控制，早日達(dá)到實(shí)際應(yīng)用，正努力解決兩個(gè)問題：①快速計(jì)算；②減少計(jì)算與實(shí)際間的誤差。昆明理工大學(xué)[4]對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算公式進(jìn)行快速傅里葉(Fourier)變換，可以迅速對(duì)溫度場(chǎng)求解，在求解過程中已不必進(jìn)行關(guān)于時(shí)間的積分運(yùn)算，使計(jì)算速度顯著增加，與同精度的有限元或有限差分等純數(shù)值計(jì)算相比，計(jì)算速度快兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。實(shí)際證實(shí)，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果之間的相對(duì)誤差在10%左右。對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算公式，利用快速Fourier變換[5]，即FFT技術(shù)，可使溫度場(chǎng)的求解速度大大加快，效果與穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)時(shí)相同。此方法適于任意給定的激光功率密度分布。如果能有效監(jiān)測(cè)實(shí)際光束的功率密度分布，并能迅速計(jì)算激光與物質(zhì)的相互熱作用，對(duì)于保證激光熱處理的質(zhì)量有重要意義。上海海運(yùn)學(xué)院[6]采用非穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)熱源解法，導(dǎo)出了描述激光淬火對(duì)零件內(nèi)部熱循環(huán)過程及快速估算硬化層深度的近似公式，簡(jiǎn)便實(shí)用，誤差較? ? 我們知道，在激光作用下材料吸收激光能量的過程和隨后往內(nèi)部傳遞熱能的過程應(yīng)該遵守?zé)崃W(xué)的基本定律，但它明顯地有著自身的特殊性，如熱過程速度極快、溫度梯度大、激光束斑的功率密度分布不均勻而且隨時(shí)間還會(huì)發(fā)生變化；激光作用又有連續(xù)和脈沖兩種方式，在激光作用過程中材料對(duì)激光的吸收率以及一些熱力學(xué)參數(shù)隨溫度變化而變化等。當(dāng)然不可忽視的是：在激光作用下不同材料本身的組織、結(jié)構(gòu)、成分及其在熱作用過程中的變化規(guī)律差別很大。因此，激光與材料相互作用過程是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。許多計(jì)算方法及其得出的公式都是在限定條件的情況下提出的，若所作的假設(shè)與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，則基本上對(duì)實(shí)際熱處理工藝的制定沒有直接的指導(dǎo)作用。近期的一些研究在這方面已作了很大的努力，試圖接近實(shí)際，但看來要實(shí)現(xiàn)激光相變硬化的計(jì)算機(jī)控制還有一段距離。 2.3 激光淬火用光熱轉(zhuǎn)換材料的研究 一般來說，需激光硬化的金屬材料表面都經(jīng)過機(jī)械加工，表面粗糙度很小，對(duì)激光的反射率可達(dá)80%～90%，因此通常采用對(duì)激光有較高吸收能力的涂料進(jìn)行預(yù)處理。在這方面長(zhǎng)春光機(jī)所、清華大學(xué)等單位做了許多探索。近年來上海工程技術(shù)大學(xué)[7]以光熱轉(zhuǎn)換材料(簡(jiǎn)稱吸收涂層)的光譜發(fā)射率及激光相變硬化區(qū)面積為依據(jù)，研制成以金屬氧化物為主的混合氧化物的新型光熱轉(zhuǎn)換材料。該材料對(duì)CO2激光的吸收率達(dá)90%以上，具有工藝性能良好、干燥快、無刺激性氣味和激光處理過程中無反噴等優(yōu)點(diǎn)，有較好推廣應(yīng)用價(jià)值。華中理工大學(xué)[8]比較了國(guó)內(nèi)有些單位采用的兩種光熱轉(zhuǎn)換材料——磷化膜與SiO2膠體涂料，得到以下結(jié)果：①SiO2膠體涂料的光熱轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于磷化膜的；②由于基體與磷化液之間的化學(xué)反應(yīng)造成表面粗糙度增大，且磷與鐵之間形成低熔點(diǎn)脆性共晶相，引起硬化層出現(xiàn)晶間微裂紋。所以SiO2膠體的淬硬層質(zhì)量?jī)?yōu)于磷化膜；③SiO2涂層的工藝過程簡(jiǎn)單，無環(huán)境污染，靈活性強(qiáng)。 從目前來看，激光相變硬化的工業(yè)應(yīng)用離不開采用適宜的光熱轉(zhuǎn)換材料。如何保證大批量工業(yè)應(yīng)用過程中涂覆光熱轉(zhuǎn)換材料的穩(wěn)定性、均勻性及可檢測(cè)性并進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，還需做進(jìn)一步工作。 2.4 激光加常規(guī)復(fù)合處理 激光熱處理是一項(xiàng)新技術(shù)，有非常明顯的特點(diǎn)，也有一定的適用范圍，將激光熱處理與適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)熱處理技術(shù)巧妙地結(jié)合起來，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，顯然是非常好的思路。 北京航空航天大學(xué)[9]對(duì)球墨鑄鐵材料先用激光表面重熔處理，然后在750℃石墨化退火，使快速凝固共晶滲碳體亞穩(wěn)相部分地轉(zhuǎn)變?yōu)槭晒Φ刂频昧思群操|(zhì)耐磨快速凝固共晶滲碳體，又含彌散石墨的新型鐵基多相耐磨材料。通過改變退火時(shí)間來調(diào)節(jié)滲碳體和石墨的相對(duì)量。由于滲碳體的較佳耐磨性加上石墨的自潤(rùn)滑，是較理想的摩擦學(xué)材料。長(zhǎng)春光機(jī)學(xué)院[10]對(duì)18Cr2Ni4WA鋼先行滲碳處理，使碳呈梯度分布，然后激光相變處理。在復(fù)合處理作用下，硬化層分成3個(gè)區(qū)：第一區(qū)為表層完全淬硬區(qū)，其最表面為針狀馬氏體＋滲碳體＋殘留奧氏體，次表面為針狀馬氏體＋板條馬氏體＋殘留奧氏體；第二區(qū)為過渡層，由馬氏體＋回火析出碳化物組成；第三區(qū)為高溫回火區(qū)，由回火索氏體組成。 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)機(jī)械零部件的性能要求將是多種多樣的，采用一種熱處理工藝往往難以解決問題。因此復(fù)合熱處理技術(shù)的市場(chǎng)需求會(huì)有一定程度的增長(zhǎng)。 2.5 激光沖擊硬化 激光沖擊處理(LSP)主要是利用強(qiáng)激光與材料表面相互作用產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)——強(qiáng)應(yīng)力波來改善材料性能。此技術(shù)能有效地強(qiáng)化鋼、鋁、鈦、鎳等金屬材料，特別是2024T3鋁合金經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后，疲勞壽命提高4倍。近年來，我國(guó)從3個(gè)方面開展對(duì)激光沖擊處理的研究：①激光沖擊處理對(duì)金屬性能的影響及工程應(yīng)用；②激光沖擊強(qiáng)化的微觀機(jī)理；③激光沖擊處理的強(qiáng)化效果的無損檢測(cè)。 江蘇理工大學(xué)及南京大學(xué)[11]對(duì)2024T62鋁合金進(jìn)行激光沖擊處理，激光沖擊區(qū)的硬度提高42%，在95%置信度下，LSP試件的中值疲勞壽命是未激光沖擊試樣的5.4～14.5倍。江蘇理工大學(xué)[12]也對(duì)常用的45鋼進(jìn)行激光沖擊處理，LSP區(qū)硬度提高32%，LSP試件的中值疲勞壽命是未沖擊試件的1.11～2.133倍(置信度95%)。由于激光沖擊的應(yīng)力波持續(xù)時(shí)間極短(微秒)，特別是指有效地處理成品零件上具有應(yīng)力集中的局部區(qū)域，例如提高成品零件上拐角、孔、槽等局部區(qū)域的疲勞壽命，所以LSP技術(shù)的工程應(yīng)用前景較好。華中理工大學(xué)[13]的研究工作表明，激光沖擊處理大幅度提高LY12-CZ鋁合金的疲勞壽命的微觀機(jī)理是激光沖擊后的位錯(cuò)密度提高21倍以及在材料表面產(chǎn)生49.43MPa的殘余壓應(yīng)力。在激光沖擊處理的退火態(tài)T8鋼中[14]看到了由于激光沖擊誘發(fā)相變而產(chǎn)生的馬氏體組織，解釋了硬度提高2倍的原因。再按照壓電轉(zhuǎn)化原理，計(jì)算出[15]激光沖擊在LY12-CZ鋁合金中形成的瞬態(tài)沖擊波的量值為MPa級(jí)，并且激光沖擊波是由一系列不同頻率的波疊加的結(jié)果，其中高頻波所占比例較大。南京大學(xué)[16]提出用表面粗糙度和微凹坑兩個(gè)表面質(zhì)量指標(biāo)并分成4個(gè)等級(jí)，作為在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中判別和控制激光沖擊強(qiáng)化效果的無損檢測(cè)手段。 由上所述，我國(guó)已在激光沖擊硬化的應(yīng)用基礎(chǔ)方面做了大量的研究，得到了比較明確的研究結(jié)果，現(xiàn)在問題的關(guān)鍵是要盡快推出具有合適性能價(jià)格比的LSP工業(yè)應(yīng)用裝備。 3 激光熔凝 3.1 激光快速熔凝條件下凝固規(guī)律的研究 許多研究表明，激光快速熔凝條件下，材料的凝固具有高溫度梯度和高凝固速率的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的凝固理論不能完整地、確切地揭示此時(shí)材料凝固的規(guī)律。近年來國(guó)內(nèi)外許多研究者做了大量工作。其中西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)地開展了激光快速熔凝條件下的基礎(chǔ)研究。在激光快速凝固微觀組織形成原理[17]一文中介紹了激光快速凝固微觀組織的界面溫度選擇原理，以及單相平面前沿、單相枝晶和平面共晶生長(zhǎng)3種典型的界面響應(yīng)函數(shù)及其在預(yù)言單相合金、共晶合金和包晶合金激光快速凝固微觀組織中的應(yīng)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價(jià)的普通碳鋼和鑄鐵。近年來清華大學(xué)對(duì)鋁合金作為基底材料的激光熔覆做了許多工作[18]：用送粉激光熔覆法在鋁基體表面成功地獲得了均勻致密的SiO2涂層和Al2O3-TiO2涂層。SiO2涂層厚度為10～30μm，Al2O3-TiO2涂層厚度可達(dá)100μm，涂層內(nèi)部致密無缺陷，涂層與鋁基體結(jié)合良好。重慶大學(xué)[19]對(duì)鈦合金基底材料上用激光束合成與涂覆生物陶瓷涂層獲得成功。中科院金屬所[20]在Ni基高溫合金基底上用NiCrBSi和NiCrAlY兩種合金粉與ZrO2的混合粉進(jìn)行激光熔覆，獲得了不同結(jié)構(gòu)熱障涂層。 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基與Fe基也有使用。海軍后勤學(xué)院[21]研究了在45鋼表面制備Co-TiC-WC金屬陶瓷復(fù)合層，硬度和耐磨性高。華中理工大學(xué)[22]在Q235(A3)鋼表面制備Fe-WC金屬陶瓷復(fù)合層，并研制了一種適用于激光熔覆的Cu基合金和SiCp的復(fù)合粉[23]。一方面兼顧C(jī)u基合金的優(yōu)良性能；另一方面，通過加入SiCp，改善組織，提高覆層的硬度和耐磨性。清華大學(xué)[24]提出：采用熱噴涂合金粉末作為激光熔覆材料容易帶來氣孔和裂紋問題，研究了Fe-C-Si-B合金粉，可獲得按介穩(wěn)系結(jié)晶的組織，其細(xì)化程度比C-Si-B激光合金化有很大提高，添加少量CaF2可顯著改善熔覆材料的工藝性能。在激光熔覆材料中添加稀土是許多研究者所關(guān)注的，中科院金屬所[25]通過激光快速熔凝處理鋼表面含稀土的涂層，研究了稀土在鋼表層的加入量和對(duì)鋼表層性能的影響。結(jié)果表明：激光熔凝處理含稀土的涂層可使較多的稀土加入鋼表層，C-N-B-Ti＋RESiFe涂層激光處理后其表面稀土含量為0.35%，Ni-Cr-B-Si＋RESiFe涂層激光處理后其表面稀土含量為5.5%。加入表層的稀土在改性層中沿深度分布較為均勻，不存在明顯的濃度梯度，表層組織均勻。稀土硅鐵的加入使鋼表層的耐磨性、抗氧化性等都有較明顯的提高。 激光熔覆的陶瓷相以采用碳化物的工作較多，如TiC[26]和WC[27]等。有的研究工作采用氧化物，如Al2O3、TiO2和SiO2[18]等。中科院金屬腐蝕所研究了硼化物作為陶瓷相[28]。 3.4 激光熔覆工藝的研究 激光熔覆工藝可以分成兩類：一類是激光處理前供給添加材料；另一類是激光處理過程中供給添加材料。第一類主要用粉末預(yù)置法，可以用粘結(jié)、火焰噴涂和等離子噴涂等；第二類是自動(dòng)送粉法。天津紡織工學(xué)院研制成功大面積自動(dòng)涂覆系統(tǒng)[29]，適用激光功率1～10kW，可用于寬帶涂覆，也可直接用于聚焦窄帶涂覆。單道一次涂覆寬10～35mm(可調(diào))，單道一次涂覆厚度0.2～8mm(可控)，送粉量0.5～200g／min(可調(diào))，送粉精度＜2%。 3.5 激光熔凝形成非晶態(tài) 天津理工學(xué)院對(duì)Fe-B合金激光熔凝形成非晶態(tài)的機(jī)理進(jìn)行探討[30]，提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的熔池中溫度分布的物理模型，分析了非晶態(tài)形成過程，經(jīng)試驗(yàn)得到了130μm～200μm厚度的非晶層。由于金屬非晶的獨(dú)特性能，用激光熔凝技術(shù)在金屬零部件的局部表面制備一層非晶顯然極具吸引力，許多單位正在努力研究和開發(fā)。 3.6 激光熔覆層的性能及其應(yīng)用 (1) 耐磨 目前開展的大量激光熔覆工作，主要是在零部件的局部表面制備高耐磨的熔覆層[18，21～23，26，27]。 (2) 耐腐蝕 南京航空航天大學(xué)[31]在Q235鋼表面激光熔覆C-N-B-Ti加稀土硅鐵以及Ni-Cr-B-Si加稀土硅鐵。結(jié)果表明：鋼表層中的過飽和稀土除和氧、硫作用外，還可固溶于晶內(nèi)、晶界或其附近，甚至能形成金屬間化合物RE2Fe17；經(jīng)過稀土和激光熔凝處理的表面具有較高的耐腐蝕性能。中南工學(xué)院[32]在耐酸不銹鋼基體上激光熔覆Co基合金，得到的熔層與等離子焊層對(duì)比，激光熔層缺陷率低，成品率高。其組織細(xì)密均勻，晶粒細(xì)小，成分稀釋率更小，對(duì)基體熱影響小，熔層硬度與強(qiáng)韌性提高。性能試驗(yàn)表明，激光熔層具有更高的耐腐蝕性能。在石油化工閥門密封面奧氏體基體上激光熔覆Ni基合金[33]，能獲得厚度達(dá)3.0mm和表面較平整光滑的合金層，可用于加工或修復(fù)，在組織和性能上均明顯優(yōu)于等離子噴焊工藝。 (3) 制備功能梯度材料 由于覆層和基體之間的性能差別很大，使用中往往容易界面失效。為此研制可以消除界面的功能梯度材料，使覆層的組成和性能沿厚度方向連續(xù)梯度變化。在探索激光熔覆陶瓷／金屬梯度覆層時(shí)，最初采用疊層熔覆法，逐層改變混合粉中陶瓷顆粒的含量和粒度，經(jīng)多層熔覆后，陶瓷顆粒在覆層中的分布規(guī)律呈臺(tái)階變化。此法沿用覆層和基體之間引入過渡層的思路，陶瓷顆粒在每一層中保持均勻分布，層與層之間的組織變化不連續(xù)，仍有界面問題。北京工業(yè)大學(xué)[34]采用激光一步涂覆法，利用激光熔池的流動(dòng)和凝固行為，依靠TiC顆粒在熔池中不斷長(zhǎng)大和有規(guī)律運(yùn)動(dòng)，在激光束一次熔凝過程中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)涂層的連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)，成功地在鋼基表面熔覆制備了TiCp／Ni自生梯度涂層。熔覆層的組織由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(xiàn)連續(xù)的梯度變化，即顆粒尺寸從0.8μm增長(zhǎng)到4.5μm；體積含量從4%增加到33%；TiC顆粒的形貌也相應(yīng)地從球形細(xì)小顆粒過渡到粗大的花瓣?duì)盍Ｗ哟亍iC顆粒的快速長(zhǎng)大主要來自顆粒的碰撞和粘結(jié)，凝固前沿對(duì)浮升速度相對(duì)較慢的TiC小顆粒優(yōu)先捕獲，是導(dǎo)致熔覆層梯度結(jié)構(gòu)原位生成的決定因素。 (4) 制備復(fù)合生物工程材料 重慶大學(xué)[19]在完成了奧氏體不銹鋼表面同步實(shí)現(xiàn)激光合成與涂覆工藝制備生物陶瓷基礎(chǔ)上[35]，又在比強(qiáng)度高、耐蝕性好、醫(yī)療用途更廣的鈦合金表面成功地實(shí)現(xiàn)激光束一步合成和涂覆含Ca5(PO4)3*(OH)羥基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂層。該涂層具有優(yōu)良的力學(xué)性能，也改善了植入材料彈性模量與生物硬組織的匹配性。研究發(fā)現(xiàn)，加入微量稀土(Y2O3)不僅有利于激光化學(xué)反應(yīng)生成HA相，增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且可細(xì)化組織，提高強(qiáng)韌性。 3.7 激光熔覆層的殘余應(yīng)力及開裂的原因與預(yù)防 采用激光熔覆技術(shù)可以獲得耐磨損、耐腐蝕的涂層，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。但是激光熔覆層可能存在氣孔和裂紋的缺陷，這是必須加以認(rèn)真研究和解決的。 重慶大學(xué)[36]研究了球墨鑄鐵激光熔覆時(shí)出現(xiàn)的裂紋。把裂紋按產(chǎn)生的位置分成3類：熔凝層裂紋、界面基體裂紋和搭接區(qū)裂紋。其中界面基體裂紋最常見。裂紋的形成受力學(xué)因素、冶金因素尤其受基體材料的缺陷所影響。通過控制激光處理工藝和調(diào)整合金成分，制備含C、B、Si量較低的復(fù)合粉末；通過預(yù)先熔凝處理，細(xì)化基材表面晶粒；通過預(yù)涂覆處理等措施來降低涂層宏觀裂紋率。華中理工大學(xué)[37]研究了激光熔覆組織和激光熔覆層熱膨脹系數(shù)對(duì)開裂敏感性的影響。 大量的研究已經(jīng)表明：激光熔凝層內(nèi)存在拉應(yīng)力，當(dāng)局部應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋產(chǎn)生的部位往往在枝晶界、氣孔、夾雜物等薄弱環(huán)節(jié)處。激光熔凝層的殘余應(yīng)力可通過設(shè)法提高熔凝層材料自身的塑變能力，降低它的耐軟化溫度得以一定程度的松弛，也可通過預(yù)熱或后熱予以減小甚至消除。當(dāng)然設(shè)法減少覆層材料的缺陷也是降低開裂敏感性的有效途徑。界面基體裂紋多產(chǎn)生于熔凝層與基體界面處、基材熔化區(qū)或熱影響區(qū)內(nèi)的缺陷處，如果該區(qū)域發(fā)生比容增大的馬氏體相變則會(huì)加劇此類裂紋的生成，因此提高此區(qū)域材料的自身韌性，有效減少各種缺陷，不失為避免或減少此類開裂的有效途徑。而鑄鐵類基材的激光熔覆則往往難以避免界面基體裂紋的產(chǎn)生。對(duì)搭接區(qū)裂紋目前研究得不多，看來在較高的激光入射功率條件下，通過光束處理技術(shù)及適當(dāng)?shù)墓ぜ\(yùn)動(dòng)，完成較大面積的均勻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]偏重于工藝參數(shù)、組織和性能的研究。在激光合金化層中，存在表面不平整和出現(xiàn)裂紋及氣孔的兩個(gè)重要問題，對(duì)此許多研究者做了大量的工作，提出了解決辦法。近期我國(guó)的激光合金化工作，有兩項(xiàng)值得注意的進(jìn)展。一項(xiàng)是清華大學(xué)把激光合金化技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品上[40，41]；另一項(xiàng)是北京航空航天大學(xué)采用激光合金化工藝來強(qiáng)化新型高溫結(jié)構(gòu)材料——TiAl金屬間化合物，提高其耐磨性[42]。清華大學(xué)結(jié)合沙漠車用F8L413F八缸風(fēng)冷柴油機(jī)研制陶瓷挺柱的科技攻關(guān)，在45鋼凸輪軸上成功地實(shí)現(xiàn)一種激光熔凝和激光合金化復(fù)合的表面強(qiáng)化新工藝[40]。采用自行研制的TH-2型共晶合金化涂料，在凸輪的桃尖部分進(jìn)行激光合金化處理，使其硬度達(dá)到60～67HRC，合金化層深1.3～1.5mm；凸輪的其它部分進(jìn)行激光快速熔凝處理，獲得硬度55HRC，硬化層深0.8～1.0mm。凸輪強(qiáng)化表面平整均勻，無氣孔和裂紋，實(shí)現(xiàn)了合理連續(xù)的組織與硬度搭配，凸輪軸處理后無需校直。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)500h臺(tái)階試驗(yàn)和沙漠車上5個(gè)月使用考核，表明激光強(qiáng)化的凸輪具有優(yōu)異的耐磨性和抗疲勞性能。此外還為沙漠車用柴油機(jī)研制激光合金化的活塞環(huán)[41]：活塞環(huán)基材是球墨鑄鐵，在激光加熱時(shí)，石墨氣化形成氣孔及裂紋。解決途徑是采用自制TH-2，C-Si-B-RE共晶合金化涂料。由于熔池內(nèi)的金屬液形成FeCSi共晶或過共晶，具有很低的熔點(diǎn)和良好的流動(dòng)性，有利于雜質(zhì)和氣體逸出；涂料中含有的微量稀土，在Fe-C合金液中有強(qiáng)烈的凈化和除氣作用。同時(shí)在TH-2共晶合金化涂料中添加WC、TiC陶瓷粉末，得到的組織是高硬度的WC、TiC質(zhì)點(diǎn)彌散分布在細(xì)? ⒕取⒅旅艿墓簿eCSiB介穩(wěn)基底上。結(jié)果活塞環(huán)的合金化層平均顯微硬度達(dá)1200HV。這種活塞環(huán)和等離子噴涂陶瓷涂層缸套配對(duì)在摩擦學(xué)試驗(yàn)和模擬沙漠使用環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中顯示出優(yōu)異的耐磨性。 北京航空航天大學(xué)[42]采用激光氣體合金化工藝方案，在TiAl金屬間化合物的激光表面快速熔化過程中，強(qiáng)行向激光高溫熔池中引入高純氮?dú)猓霸弧钡卦诤辖鸨砻嬷频靡愿哂捕取⒏吣湍サ牡仦樵鰪?qiáng)相的表面改性層。試驗(yàn)結(jié)果表明激光氣體合金化對(duì)提高TiAl金屬間化合物的耐磨性是一種很有前途的表面改性新技術(shù)。此外，還與華中理工大學(xué)合作，用激光合金化生成TiC的方案來提高TiAl金屬間化合物的耐磨性[43]：在TiAl金屬間化合物表面均勻涂覆碳粉，用CO2激光進(jìn)行激光表面合金化，制得了以硬質(zhì)TiC為增強(qiáng)相的快速凝固“原位”復(fù)合材料表面改性層。激光表面改性層顯微硬度和組織具有較明顯的梯度漸變特征。清華大學(xué)近年來與法國(guó)焊接研究所合作[44]，研制大面積激光合金化層。用45kW CO2激光器，在XC38碳鋼上，對(duì)CSiB＋NiMoCo涂層進(jìn)行激光合金化處理，獲得了表面光潔、無氧化和無裂紋缺陷的大面積合金化層。合金化區(qū)的微觀組織由馬氏體、殘留奧氏體和多元共晶所組成，其硬度為61～65HRC。 5 工程應(yīng)用 激光熱處理技術(shù)已在我國(guó)得到了一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，成功的例子很多，舉例如下。 5.1 激光毛化冷軋輥 為了生產(chǎn)沖壓或深沖壓用的優(yōu)質(zhì)毛面薄鋼板，軋鋼廠需要對(duì)工作軋輥表面進(jìn)行毛化處理。以往軋輥毛化的方法是噴丸處理，但難以精確控制軋輥表面的形貌和粗糙度，為了解決這一問題，國(guó)內(nèi)外均做了大量研究。中科院力學(xué)所研究成功軋輥激光毛化技術(shù)[45]。軋輥激光毛化技術(shù)又稱激光織構(gòu)化，出自于Texturing the Roughness of Work Rolls by Means of Laser Pulses[46]。 軋輥激光毛化技術(shù)可以精確控制所加工軋輥表面的形貌和粗糙度，軋制生產(chǎn)的激光毛面鋼板具有優(yōu)良的沖壓成形性能和涂漆光亮度，其塑性變形能力有所改善，明顯優(yōu)于同材質(zhì)的光面板和噴丸毛面板。激光毛化技術(shù)可以在毛化的同時(shí)，使激光作用區(qū)的材料獲得超常硬度，給軋面帶來超常的強(qiáng)韌化效果，延長(zhǎng)軋輥使用壽命。軋制低碳鋼板的激光輥壽命是普通輥的3～5倍；冷軋65Mn鋼的激光輥壽命是普通輥的2～3倍；平整軋制低碳沖壓用毛面板的激光輥壽命比普通輥的提高5～10倍。此外激光毛化加工也可改善軋輥使用性能，由于優(yōu)化摩擦條件，軋制時(shí)不易打滑和粘連，軋制速度可提高一倍以上，消除板卷退火粘結(jié)現(xiàn)象，可進(jìn)一步優(yōu)化軋制參數(shù)，甚至可用激光輥實(shí)現(xiàn)異步軋制。通常大面積的激光處理采用連續(xù)掃描，由線及面地進(jìn)行，此時(shí)存在掃描帶重疊造成回火軟帶和掃描帶不重疊所致表面各向異性的問題。為此，提出用脈沖激光離散熔凝處理代替激光連續(xù)掃描工藝。軋輥的激光毛化技術(shù)就是脈沖激光離散熔凝處理技術(shù)的成功的應(yīng)用。 冷軋輥的激光毛化技術(shù)已在我國(guó)獲得一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。1990年3月中科院力學(xué)所在中國(guó)大恒、北京吉普汽車、首鋼鋼研所協(xié)作下，開展YAG激光毛化冷軋輥工藝攻關(guān)，至1992年6月研制成功第一臺(tái)可用于帶鋼規(guī)模生產(chǎn)的YAG激光毛化冷軋輥實(shí)驗(yàn)裝置。1992年8月開始用于秦皇島龍騰精密帶鋼公司生產(chǎn)，1994年3套大、中、小型YAG激光毛化冷軋輥成套設(shè)備分別在天津市冷軋薄板廠、鞍山帶鋼廠、無錫遠(yuǎn)方帶鋼廠投產(chǎn)。僅一年時(shí)間，天津冷軋薄板廠近十萬噸優(yōu)質(zhì)激光毛化板投放市場(chǎng)，使我國(guó)繼比利時(shí)、日本、德國(guó)之后世界上第四個(gè)掌握激光毛化冷軋輥新技術(shù)并用于規(guī)模生產(chǎn)的國(guó)家。1995年華中理工大學(xué)、武鋼、武漢重機(jī)合作研制成功CO2激光毛化冷軋輥裝備并試軋了300t CO2激光毛化鋼板。上述成果說明了激光毛化技術(shù)和裝備及其工業(yè)應(yīng)用是我國(guó)激光熱處理產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合獲得巨大成功的一個(gè)突出例子，值得推廣。 5.2 熱軋輥的激光強(qiáng)化 廣州富通公司是一家民營(yíng)高科技企業(yè)，于1994年開始進(jìn)行激光加工技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)工作，已開發(fā)成功GFT激光多功能加工機(jī)床[47]，用來對(duì)冶金大宗消耗件和其他各類機(jī)械零件進(jìn)行激光表面改性和修復(fù)，1998年4月取得冶金工業(yè)部的鑒定證書。其中對(duì)熱軋輥的處理取得如下效果： 軋輥名稱材質(zhì)處理前處理后表面硬度(HRC)軋鋼量／t表面硬度HRC軋鋼量／t壽命對(duì)比65070Mn2鋼2590057～601800提高一倍500CrMo球鐵20700551300提高80%450CrMo球鐵37700571100提高55%300CrNiMo冷硬鑄鐵 1000 1500提高50% 目前該企業(yè)主要產(chǎn)品GFT激光熱處理機(jī)已進(jìn)入新疆八鋼和邯鋼、萊鋼、濟(jì)鋼、玉柴等大中型企業(yè)，市場(chǎng)前景良好。 5.3 汽缸體和缸套內(nèi)壁的激光強(qiáng)化 汽缸體和缸套的激光強(qiáng)化是激光熱處理技術(shù)在我國(guó)最早獲得實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例。目前激光缸套的生產(chǎn)企業(yè)以西安內(nèi)燃機(jī)配件廠為代表[48]，該廠1990年10月建成全國(guó)第一條缸套激光熱處理生產(chǎn)線，至1998年底已建成24條激光熱處理生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力達(dá)到年產(chǎn)120萬只激光缸套，耐磨性比普通缸套提高25%～30%以上，使缸套壽命從6000～8000h提高到10000h以上，同時(shí)具有優(yōu)越的配副性和抗拉缸性能，還可配用任何材質(zhì)的活塞環(huán)，與之相匹配的活塞環(huán)的壽命可提高30%～46%以上，并且可縮短初期磨合時(shí)間。而已在汽車修理行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用的激光強(qiáng)化裝備以青島中發(fā)激光技術(shù)有限公司的產(chǎn)品較多[49]，該公司已開發(fā)生產(chǎn)了5種型號(hào)的激光強(qiáng)化機(jī)，市場(chǎng)信譽(yù)良好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該公司產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)近80家汽車大修廠、鏜缸磨軸廠、缸套廠、大專院校和科研院所使用，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 5.4 各種機(jī)械零部件局部表面的激光強(qiáng)化 上海工程技術(shù)大學(xué)在對(duì)球鐵的激光熱處理進(jìn)行系統(tǒng)深入研究基礎(chǔ)上與中國(guó)迅達(dá)電梯公司上海電梯廠緊密合作，研制成功電梯正弦輪V型槽面的激光強(qiáng)化技術(shù)[50]，經(jīng)瑞士迅達(dá)電梯公司多次派專家進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，確認(rèn)完全符合質(zhì)量要求，自1991年以來，已將此工藝列入中國(guó)迅達(dá)公司的生產(chǎn)工藝，已累計(jì)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益超過1200萬元，發(fā)展前景良好。 勝利油田鉆井工藝研究院自1993年以來，為油田鉆采作業(yè)解決了一系列關(guān)鍵零件的激光強(qiáng)化問題。已投入生產(chǎn)的零件有：①組合抽油泵缸套的激光淬火；②整筒泵泵筒(長(zhǎng)7m，內(nèi)徑56～83mm)的激光淬火機(jī)床研制及激光處理工藝開發(fā)；③鉆井、修井用的27／8″鉆桿接頭的激光強(qiáng)化；④高壓柱塞泵柱塞的激光陶瓷合金化。 天津修船技術(shù)研究所1997年建成激光加工中心，已為船舶行業(yè)的壓縮機(jī)缸體、船用發(fā)電機(jī)組大模數(shù)齒輪、船用主機(jī)大直徑缸套、減速器齒輪進(jìn)行激光強(qiáng)化，還成功地解決了食品機(jī)械大直徑QT700-2曲軸主軸頸和偏心軸頸的激光強(qiáng)化工藝。 中科院沈陽金屬腐蝕研究所在對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片激光熔覆修復(fù)取得成功的基礎(chǔ)上，把激光熔覆技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用朝產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。 清華大學(xué)激光加工研究中心近幾年在以下項(xiàng)目取得較大進(jìn)展：①激光共晶合金化—激光熔凝復(fù)合強(qiáng)化45鋼風(fēng)冷柴油機(jī)凸輪軸；②球墨鑄鐵活塞環(huán)的激光陶瓷合金化；③在FeCSiBRE系激光合金化基礎(chǔ)上，開拓Fe-C合金表面激光非晶化；④輕型車凸輪軸螺旋齒輪的激光強(qiáng)化；⑤艦船主輔機(jī)關(guān)鍵零件的激光強(qiáng)化；⑥FeCSiB激光熔覆專用合金粉末開發(fā)等。 還有不少已取得重要突破的項(xiàng)目，例如中科院沈陽金屬所的激光制備納米新材料等，限于篇幅，不能在此詳細(xì)列出。可以預(yù)期，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，尤其是制造業(yè)的發(fā)展，激光熱處理技術(shù)及其裝備的研究、開發(fā)將會(huì)得到更深入的發(fā)展及更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)高能密度熱處理技術(shù)委員會(huì)自1984年12月在湖北十堰市成立以來，已召開了七屆全國(guó)高能密度熱處理學(xué)術(shù)年會(huì)，其中包括一屆國(guó)際年會(huì)，對(duì)我國(guó)激光熱處理的發(fā)展起了一定的促進(jìn)作用，今后將繼續(xù)在組織學(xué)術(shù)交流、技術(shù)培訓(xùn)、決策咨詢、可行性研究和促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合等方面作出努力。 參考文獻(xiàn)： [1]劉江龍，鄒至榮．激光相變硬化機(jī)理〔C〕．全國(guó)高能密度熱處理學(xué)術(shù)年會(huì)(86’)，1985，12． [2]陳傳忠，于家洪，王世清．W18Cr4V高速鋼激光相變硬化的組織及性能．山東工業(yè)大學(xué)，1992．10． [3]張光鈞，戈大鈁．激光提高鑄鐵缸套磨損壽命的研究〔J〕．應(yīng)用激光，1998，18(6)． [4]李俊昌，謝瓦利埃R，蘭熱J．M．．激光熱處理溫度場(chǎng)及相變硬化帶的快速計(jì)算〔J〕．中國(guó)激光，1997，A24(7)． 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