激光表面制造及再制造工艺简介

1） 激光淬火和熔凝处理

激光淬火是以较高的能量密度（104~105W/cm2）快速扫描材料的表面，被辐射的材料表面以及快的速度（105~106℃/s）升高到高于相变点而低于熔化温度的范围，当激光束离开被辐射的材料区域后，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却（冷却速度104~106℃/s）而进行自冷淬火，实现工件表面的相变硬化。

激光熔凝是以很高的激光功率密度（105~107 W/cm2），在极短时间内与金属交互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度使之熔化，随后借助于冷态的金属基体吸热和传导作用，使已熔化的极表薄层金属快速凝固。

激光淬火和熔凝为快速加热、快速冷却的自激淬火过程，激光硬化与传统淬火工艺的不同主要在于它的作用时间短而且不需要冷却介质。相对于传统的热处理工艺，激光硬化具有以下特点：

（1）加热速度极快，冷却速度高，工件变形量极小。由于激光具有很高的功率密度，激光束对材料表面扫描时可使其表面升温速度达到104~106℃/s，可在极短的时间内将材料加热到相变区，材料的冷却速度可达105℃/s，激光的作用时间也很短，因此改性区域仅限于工件表层，不易造成工件整体的热变形。

（2）表面改性的优化效果显著。激光硬化过程的温度变化速度极快，使淬火后金属表层获得极细小的马氏体和碳化物组织，材料的硬度、耐磨性相对于常规淬火有较大提高。此外，激光硬化后表层产生很高的残余压应力，可大幅提高工件的疲劳强度。

（3）可对形状复杂的工件进行激光局部硬化。激光硬化只发生在激光照射的部位，其他部位无需防护。激光束可聚焦到很细，特别适合小件的局部淬火和特殊部位的淬火，例如沟槽、小孔，深孔、腔体内壁等，只要将激光照射到位即可。

（4）工艺周期短，生产重复性好，质量稳定可靠。激光加工设备多配备数控系统，操作简单，便于自动化生产，有效保证了激光加工的精确度和稳定性。

（5）清洁环保的工艺。激光硬化为自激淬火过程，不需要水或油等冷却介质，有利于环境保护。并且激光硬化后表面几乎无氧化脱碳现象，表面粗糙度也几乎不变，可以作为工件加工的最后工序。

激光硬化与常规热处理方法相比有其独特的优点，应用前景非常广阔。但是激光硬化同样有其局限性，它只适合于一些需要局部表面硬化的工件，且淬硬层较浅，通常是一些不要求整体硬化，尺寸要求较高，形状比较复杂的工件进行激光硬化处理。

2） 激光合金化

激光表面合金化是利用高能激光束将基体金属表面熔化，同时加入合金化元素，在以基材为溶剂和合金化元素为溶质，通过充分的液态混合，形成一层浓度相当高、且相当均匀的合金熔凝层。由于合金元素的引入，合金化层比基材具有更高的合金含量，通过合理的合金元素设计，改善基材的硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能。

激光合金化工艺的最大特点是，在高能量密度激光的作用下，添加合金与基材进行了充分的混合，因此，该技术具有如下特点：

（1）与激光淬火和激光熔覆相比，激光作用能量密度更高。

（2）激光合金化层与基材间成分逐渐过渡，减少了添加合金材料与基材间的界面问题。

（3）合金化层与基材间，存在一层激光淬火层的过渡带，当激光合金化层硬度较高时，通过激光淬火层过渡到硬度较低的基材时，避免了薄层高硬度合金化层与基材间硬度陡然下降所致的“鸡蛋壳”效应，能充分发挥高硬度合金化层的作用。

（4）激光合金化过程易实现非平衡材料合成，使得合金化层的成分容易调整，从而满足不同零部件的服役要求。

（5）激光合金化对基材的热影响小，工件形变小。

3） 激光熔覆

激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，指在基材表面以不同的填料方式添加被选择的涂层材料，利用高能密度（104~106W/cm2）的激光束使之与基材表面极薄层同时熔凝，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性的工艺方法。

与常规的表面涂覆工艺相比较，激光熔覆具有以下显著特点：

(1) 激光熔覆技术的最大的特点是可在廉价、易加工的基体材料表面有选择的制备高性能的熔覆层，并且熔覆层的厚度不受限制；还可以根据需要进行单层熔覆或多层熔覆，使涂层具备梯度功能。

(2) 高达106℃/s的冷却速度使熔覆层组织晶粒细小、结构致密。因此，较一般涂覆工艺，激光熔覆涂层的硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀性能也比较好；甚至能产生新性能的组织结构，如亚稳相、超弥散相、非晶相等。

(3) 可实现局部精密熔覆及修复，后续加工小。

由于热作用区很小，工件热变形也相对较小，不破坏基材的力学性能。

(5) 熔覆层的厚度可准确控制，熔覆层与基材形成冶金结合；且熔覆层的稀释率小。

(6) 熔覆层成分与性能几乎不受基体材料成分的干扰和影响。

(7) 加工柔性好，可方便地对沟槽、孔壁等常规方法难以加工的部位进行激光熔覆；激光束的运动可控性好，能方便地对形状复杂的轮廓表面进行处理。

(8) 自动化程度高，过程易于控制及实现自动化，会环境无污染，噪音低，工作条件舒适等特点，是一种“绿色”表面工程技术。

(9) 激光熔覆技术为零件制造提供了具有独特优势的新途径。