激光表面熔覆与合金化技术

激光硬化可以显著提高组织的硬度、耐磨性和耐蚀性等，但是由于激光表面硬化只能改变了材料表层的组织状态，当对基材表面有特殊性能要求时，激光硬化处理就无法满足。激光熔覆及合金化是在激光硬化的基础上发展起来的新工艺，它不仅可以改变基材表面的组织，还能改变基材表面成分。激光表面熔覆与激光表面合金化的不同在于：激光表面合金化是使添加的合金元素完全和基体表面混合；而激光熔覆是预敷层全部熔化而基体表面微熔，预覆层的成分基本不变，只是使基材结合处变得稀释。这两种工艺为在各类材料生成与母材结合良好的高性能（或特殊性能）的表层提供了有效途径。

4.4.3.1 激光表面熔覆

激光熔覆也称做激光涂覆或激光包覆，它是材料表面改性技术的一种重要方法，通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束将不同成分、性能的合金与基材表层快速熔化，在基材的表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。激光熔覆层因含有不同体积分数的硬质陶瓷颗粒而具有良好的结合强度和高硬度，在提高材料的抗磨损能力方面尤其显示了优越性。

1.激光表面熔覆的特点

激光表面熔覆技术是在激光束作用下，将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自己冷却的一种表面强化方法。同其他表面强化技术相比，它具有如下特点：

1）冷却速度快。

2）热输入和畸变较小，涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈冶金结合。

3）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔覆高熔点合金。

4）能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比。

5）光束瞄准可以在难以接近的区域熔覆。

2.激光表面熔覆的工艺流程及工艺参数

（1）工艺流程 依据合金供应方式的不同可将激光熔覆分为两大类：预置式涂层法和同步式送粉法，如图4.4-13所示。

图4.4-13 激光熔覆技术示意图

a）预置式涂层法 b）同步式送粉法

预置涂层法是先将粉末与粘接剂混合后以某种方法预先均匀涂覆在基体表面，然后采用激光束对合金涂覆层表面进行照射，合金涂覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化，同时通过热量传递使基材表面熔化，熔化的金属快速凝固在基材表面形成冶金结合的合金熔覆层。

粉末、丝材及板材都可以成为激光熔覆的合金材料，不同状态的材料，预置的方法不同。对于粉末类合金材料，主要采用热喷涂或粘接等方法进行预置。热喷涂的效率高，可以获得大面积涂层，涂层材料基本不受污染，涂层厚度均匀且与基材结合牢固，在激光熔覆中不剥落；不足之处在于粉末利用率较低，需要专门的设备和技术。粘接法是将粉末与粘接剂调和成膏状，再涂在熔覆基材的表面，该方法效率低，易对熔覆层合金造成污染和气孔等缺陷，并且难于获得大面积的厚度均匀的涂层，在实际应用很少。对于丝类合金材料，既可以采用专门的热喷涂设备进行喷涂沉积，也可以采用粘接法预置。对于板类合金材料主要采用粘接法或将合金板与基材预压在一起。

预置式涂层法的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理→预置熔覆材料→预热→激光熔化→后热处理。其中预处理是为了去除基材熔覆部位处的油污和锈蚀；预热是为了防止基材热影响区发生比体积增大的马氏体相变而诱发覆层裂纹，减少基材与覆层之间的温差以降低覆层冷缩时所产生的应力，增加熔池寿命有利于覆层中气泡和杂质的排出；而后热处理的目的在于消除或减少涂覆层的残余应力；消除或减少熔覆对基材产生的有害的热影响，防止可空冷淬火的基材热影响区发生马氏体转变或恢复覆层的性能等。预处理、预热和后热处理并不是必须的，可根据基材和熔覆材料的特性等情况进行调整，这对于同步式送粉法同样适用。

同步式送粉法是采用专门的送料系统在激光熔覆过程中将合金材料直接送入激光作用区，在激光的作用下合金材料和基体材料同时熔化，然后冷却结晶形成合金熔覆层。激光熔覆对送粉要求连续、均匀和可控地把粉末送入熔区。同步送粉法工艺过程简单，合金材料利用率高，可控性好。同步送粉法的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理→送料激光熔化→后热处理。

在同步送粉激光熔覆系统中，送粉器是关键设备。送粉器根据粉末送出原理一般分为自重式、气送式或两种兼用。其中一种常用的刮板式送粉器如图4.4-14所示。电动机带动平面转盘转动，使得蓄料斗中的粉末流到平面转盘上，粉末在平面转盘的挡板处堆积，当堆积一定的程度时，粉末开始连续、稳定落入漏斗。在辅助气体（氩气、氮气等）和重力的作用下，经送粉管送入激光照射区，调节辅助气体的流量可以控制粉末的流速和落下的位置。

送粉的方式对粉末的利用率也有很大的关系，一般有正向和逆向送粉法两种，如图4.4-15所示。正向送粉法粉末流的运动方向与工件的运动方向的夹角小于90°；而逆向法的粉末运动方向与工件的运动方向的夹角大于90°。由于逆向送粉会使熔池边缘变形，导致液态金属沿表面铺开，使得熔池的表面积增大。因此，在相同的激光熔覆条件下，逆向法较正向法具有更高的粉末利用率。

图4.4-14 送粉器工作原理示意图

1—辅助气体 2—转盘 3—蓄料斗 4—刮料板 5—送料斗 6—激光束 7—激光辐照区

图4.4-15 粉末送入方式

a）正向 b）逆向

1、4—试样 2、3—涂覆层

同步送粉熔覆法中粉末离开喷嘴的角度、粉末材料及其粒度对其工艺也有着重要的影响。粉末离开喷嘴的角度直接影响着粉末流流动的平稳性，Ni、Cr、Co硬质合金粉末一般采用40°；较重的钴基粉末应选择更大的角度，为60°，以保证粉末流的稳定流动。粉末的粒度一般选择在40～160μm，在该粒度范围内的粉末具有最好的流动性，粉末粒度过细易结团，而过粗又容易堵塞喷嘴。

激光熔覆的主要目的是在廉价的金属表面形成高性能的合金层，以达到提高工件表面的耐磨性、耐腐蚀及高温等综合性能。因此，在激光熔覆中的涂覆层应最大程度地保持自身性能，即在保证与基材结合良好的情况下，最小地被基体稀释，所以在激光熔覆中一般使用稀释率来描述涂层成分被基材混入而引起合金成分的变化程度。稀释率_η用计算公式（4.4-3）表示：

[w（X_p+S）-w（X_p）]

式中，ρ_p为合金粉末熔化时的密度；ρ_s为基材的密度；w（X_p）为合金粉末中元素X的质量分数（%）；w（X_p+S）为涂层搭接处元素X的质量分数（%）；w（X_s）为基材中元素X的质量分数（%）。

良好的熔覆层应有良好的冶金结合，即最小的稀释率（控制在5%左右）和变形程度，因而要求：①熔覆层与基体材料的熔点相近，以保证两者间的稀释最小；②避免脆性相的形成，确保界面结合强度；③材料具有一定塑性来补偿热应变，防止形成裂纹。

（2）工艺参数 激光熔覆工艺参数不是独立地影响熔覆层宏观和微观质量，而是相互影响的，它是一个复杂的综合影响因素。工艺参数主要包括：激光功率P、扫描速度v_s、光斑直径D等，这三个因素是决定合金熔覆层吸收能量大小的主要参数，其对激光熔层质量的影响也是目前开展最多的工作，如何评价每个工艺参数在熔覆层形成过程中的作用是熔覆层设计的关键。

3.激光熔覆过程中的物理化学现象

在激光熔覆技术中，界面在其中起着十分重要的作用，贯穿着整个熔覆过程。首先涂层的快速熔化，与基体金属之间产生一个液-固界面，随后涂层快速冷却凝固，原来的液-固界面转化为固-固界面。两种界面的结构、行为特征对最终形成的熔覆层质量将产生很大影响。粉末涂层均匀、良好地在基体表面铺展，可以减少因熔覆层中产生孔隙而引起应力集中和裂纹的几率，并且能提高粉末的利用率。要使涂层能在基体上很好地铺展，涂层的表面张力必须小于基体的临界表面张力，通过润湿而结合的界面为原子组成物构成的犬牙交错的溶解扩散界面，其作用力在几个原子间距内。同时，在熔覆过程中发生的一系列冶金物理化学反应使得涂层与基体又具有反应界面的特征，其结果是生成亚微米级的反应物层。反应物层不宜太厚，否则产生的脆性相对结合强度不利。图4.4-16所示为单道激光熔覆层的横截面形貌示意图，图中θ₁、θ₂为润湿角，H为熔覆高度，W为熔覆宽度。θ₁越大，说明涂层对基体润湿性越好；θ₂大小直接反应了基体熔化程度，θ₂越大，基体熔化越少，当θ₂=180°时，基体熔化极少，是理想的熔覆状态；高宽比H/W越小，熔覆材料的铺展能力越强，熔覆材料的利用率越高，反之粉末材料的利用率较低。

图4.4-16 熔覆层横截面形貌示意图

因此，在一定程度上润湿角、高宽比（H/W）代表了激光熔覆涂层的熔覆行为。在激光熔覆过程中，涂层的熔覆行为既与涂层和基体材料的性质有关，也受工艺因素的影响。它们之间相互制约，对激光熔覆行为的影响复杂，只有结合实际要求，合理加以选择，才能获得高性能的熔覆层。

4.常用熔覆材料

由于激光熔覆层自行构成特殊合金，一般均以合金粉末为原料。目前还没有专用于激光熔覆的合金粉末，热喷焊或热喷涂类材料是经常采用的材料，主要包括自熔性合金材料、碳化物弥散或复合材料、陶瓷材料等。

（1）对合金粉末的基本要求 对激光熔覆用的合金粉末有如下基本要求：

1）首先应具有所需要的使用性能，如耐磨、耐蚀性能等。

2）应具有良好的固态流动性。固态流动性与粉末的形状、粒度分布、表面状态及粉末的浸润性等因素有关。粒度粗呈球状的粉末流动性最好，激光熔覆一般采用0.045～0.154mm的粉末；粉末使用前应烘干以免影响流动性，避免气泡的产生；粉末的热膨胀系数、导热性能应尽可能与工件材料相近，以减少熔覆层中的残余应力。

3）应具有良好的浸润性。表面张力越小，浸润角越小，液态流动性越好，易获得平整光滑的熔覆层。

4）熔覆材料应与基体材料热膨胀系数相匹配。这样可以减少激光熔覆层对开裂和裂纹的敏感性。

5）合金粉的熔点应尽量与基材的熔点相匹配。熔覆合金与基材的熔点之间差异过大，形成不了良好的冶金结合。如果熔覆材料的熔点过高，加热时熔覆材料熔化少，会使得涂层表面粗糙度值大，且基体表层过烧，严重污染熔覆层。反之，则易使熔覆层过烧，且与基体间产生孔洞和夹杂。

6）应有良好的造渣、除气、隔气性能。

（2）激光熔覆的常用材料 激光熔覆材料体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷等，其性能取决于熔覆层的组织和相组成，而其化学成分和加工工艺又决定了熔覆层的组织结构。

激光熔覆铁基合金适用于使用温度要求不高（<400℃）的耐磨零件，所用粉末主要有不锈钢类和高铬铸铁类，分别适用于低碳钢和铸铁基体。其熔覆层组织为非平衡的奥氏体和M₇C₃碳化物，由于固溶强化、位错与碳化物交互作用使熔覆层具有920HV的硬度。由于铁基合金成本低廉，经常用作镍基合金的代用品。与镍基合金相比，铁基合金激光熔覆层韧性稍差。

钴基、镍基合金具有高硬度、耐磨、耐热、耐蚀和抗氧化等性能。从工艺上讲，激光熔覆层又因为激光快速凝固过程产生的晶粒细化、非稳态相和过饱和固溶体而具有高硬度、耐磨性和耐蚀性。因此，钴基、镍基激光熔覆层被广泛应用于高参数阀门密封面等恶劣工况条件。

激光熔覆用钴基合金目前主要有Stellite合金、钴基高温合金和钴基自熔合金；镍基合金有Colmonoy合金和镍基自熔合金等。Colmonoy合金具有很好的耐磨损、耐蚀的性能，并且由于具有良好的稳定性而被用于耐磨环境。Stellite合金被广泛应用于非润滑的高温磨损件，其中含30%（质量分数）左右的Cr可以提高耐蚀性，另外加入4%～17%（质量分数）的W产生固溶强化的效果，合金中含碳量为0.1%～3.0%（质量分数）时可形成硬质的碳化物。Stellite6合金（一般组成成分为（质量分数）：60%Co、27%Cr、2.5%Fe、5%W、2.5%Ni、1.0%C、1.0%Si、1.0%Mn）被用于激光熔覆，该合金激光熔覆层一般是由亚共晶的面心立方的γ-Co枝晶基体和枝晶间网状共晶M₇C₃组成的，当C含量超过2%（质量分数）而接近2.5%（质量分数）时，基体就由亚共晶转变为过共晶。在激光熔覆Stellite6合金中，激光熔覆的快速冷却使得Co是以高温相存在。通常激光用钴基自熔合金粉末是在Stellite合金的基础上研制开发的，合金元素主要有Cr、W、Fe、Ni和C。此外，可添加B和Si增加合金粉末的润湿性以形成自熔合金，但B含量过多会增加合金的开裂倾向。钴基自熔合金粉末与钢铁件在熔点、热膨胀系数、密度等方面都比较接近，从而减少了熔覆层在冷凝过程中的热收缩应力。而且钴基合金具有良好的热稳定性，在熔覆时很少发生蒸发升华和明显的变质。另外，钴基粉末合金在熔化时具有很好的润湿性，熔化后在基体材料的表面均匀铺散，有利于获得致密性好、光滑平整的熔覆层，从而提高熔覆层与基体材料的结合强度。由于钴基合金粉末的主要成分是Co、Cr、W，因此它具有良好的高温性能和综合力学性能。Co与Cr生成稳定的固熔体，由于含碳量较低，基体上弥散分布着亚稳态的Cr₂₃C₆、M₇C₃和WC等各种碳化物以及CrB等硼化物，导致合金具有更高的热硬性、高温耐磨性、耐蚀性和抗氧化性。

陶瓷材料具有一般金属材料难以比拟的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性能，但其熔点高、脆性大、膨胀系数与基体差别大等特性，不易获得无缺陷涂层，大都是与其他金属混合物作激光熔覆。激光熔覆金属陶瓷可以通过大功率激光束的作用，形成均匀、致密、且与基体结合牢固并具有一定韧性的金属/陶瓷复合层。图4.4-17所示为碳化物（TiC，VC，Cr₃C₂）+X38CrMoV51（德国牌号）热作模具钢在St37（德国牌号）钢的熔覆，得到的激光熔覆层的硬度曲线，熔覆层的厚度为100～300μm，X38+50%（质量分数）TiC的硬度接近1400HV，是基体硬度的7倍。近年来，纯陶瓷激光熔覆涂层也在研究和开发之中。

目前，激光熔覆采用的材料主要沿用传统的喷涂系列合金，没有自己专用的熔覆材料，这已经不能满足实际生产的需要了。按照熔覆层性能定性甚至定量地设计合金的成分，研究和开发新型的激光熔覆专用合金粉末材料是未来发展的方向。(www.xing528.com)

5.激光熔覆常用激光器

图4.4-17 几种碳化物混合粉末激光熔覆层显微硬度 注：X38为X38CrMoV5-1（德国牌号）

激光熔覆主要使用大功率连续CO₂激光器。目前，随着大功率Nd：YAG激光器的不断发展，在激光熔覆中采用Nd：YAG激光器的不断增多。由于Nd：YAG激光器的光束可用光纤传输，明显提高了零件处理的柔性，方便遥控操作。并且其波长较CO₂短，能量在工件上的反射损失减少，提高了能量的耦合效率。脉冲工作的Nd：YAG激光熔覆优点尤其突出，平均输出功率500W的脉冲Nd：YAG激光器（脉冲能量6～15J/脉冲，脉冲宽度为3～19ms，频率20～50Hz），使用长3m，直径600μm的光纤传输，熔覆处理的结果相当于1kW以上输出功率的连续波CO₂激光器、Nd：YAG激光器。同时，由于脉冲激光注入零件的热量减少，零件变形小，工艺稳定性好。

工业半导体激光器（ISL）已用于Inconel622，Stellite156和410不锈钢粉末在1018钢和400系列不锈钢基体上的激光熔覆。在低碳钢上熔覆Stellite121中，1.4kW的二极管激光器（HPDL）的熔覆效果与采用39kW的CO₂激光器相同，光束能量吸收率提高了25倍以上。该激光器的电-光转换效率高达50%，包括水冷系统在内输出连续波4kW的二极管激光系统只消耗16kW电功率，其转换效率是CO₂的2～4倍，是闪光灯泵浦的Nd：YAG激光器的20～30倍。输出4kW的二极管激光器体积仅有11.328cm³，质量仅为6.3kg，很容易实现熔覆设备的微型化。常用的几种工业激光系统技术性能和运转特性列于表4.4-7。

表4.4-7 几种工业激光器系统技术性能和运转性能比较

6.影响激光熔覆中裂纹产生的因素

激光熔覆是一种对裂纹极其敏感的表面改性工艺。由于激光熔覆时加热和冷却速度极快，凝固过程中的液体金属补充不及时，在随后的固态冷却收缩过程中产生大量的空位、位错等缺陷，它们受到周围较冷的基体束缚而产生拉应力；在冷却过程中发生的相变引起组织应力；另一方面，由于熔池寿命很短，使得熔层中可能存在的氧化物、硫化物和其他杂质来不及释放出来，它们存于覆层中，很容易成为裂纹源：这些因素交织在一起，就会在涂覆层中造成裂纹，尤其是常规的镍基、钴基自熔合金极易出现裂纹。因此，激光熔覆过程中，裂纹问题是一个值得研究和关注的问题，也是目前阻碍该技术在国内实现产业化的主要原因之一。

（1）工艺因素 激光熔覆工艺参数与熔覆层内的裂纹数目存在着复杂的关系，几种工艺参数的变化都会对裂纹数目产生影响，它们与裂纹数目之间不是呈单调变化的。激光熔覆输入比能量越大，熔池寿命就越长，使得熔覆层中的杂质充分上浮，使熔层与基体牢固融合，出现裂纹等缺陷的几率越小。但是，输入的比能量过大会增加覆层的稀释率，降低硬度，晶粒变粗大，元素的烧蚀率增加。裂纹数目还与基体的状况（包括基体材料成分、组织、热物理性质、表面状态、基体的形状与结构等）和覆层材料（成分、组织等）有关。另外，熔覆厚度、预热温度和搭接宽度等参数也会对熔覆层的裂纹敏感性产生影响，预热温度升高，裂纹率显著下降。激光熔覆工艺参数对开裂敏感性的影响研究在某些方面已有较成熟的结果，但缺乏系统性和规律性，因此在应用中作用是有限的。

（2）组织因素 在激光熔覆过程中，组织因素对裂纹形成的影响的研究尚未形成统一的认识，对于不同的材料、工艺得到的结果各有差异。比较认同的主要是凝固裂纹理论，即在熔覆层快速凝固时，初生的发达枝晶会相互连接成网，造成枝晶间的液体封闭，残存的液体不易流动，从而造成枝晶间液态金属凝固收缩时没有足够的液体补充，加上枝晶间组织结晶温度低，低熔点的杂质多集中在此处，从而导致枝晶间开裂敏感性大，在残余应力作用下就会产生裂纹。另外，激光熔覆时晶体生长方向对开裂也会造成影响。由于晶核基底的基材晶粒的各向异性，会产生不同生长方向的共晶组织，它们在快速凝固过程中发生强烈的碰撞，结果在不同生长方向的共晶团界面间产生较大的应力而生成显微裂纹。

目前，激光熔覆层组织对开裂性的影响研究主要集中在凝固组织方面，对不同合金粉末的熔履层中显微组织结构对开裂性影响，研究较少，尤其是耐磨、耐蚀的镍基、钴基自熔合金。在镍基、钴基合金中有较多的不同形式碳化物作为强化相，而较大的脆性使它们的分布和在使用过程中的转变都会对熔覆层性能产生影响。

（3）残余应力 国内、外已有许多研究者利用不同的方法测定出激光熔覆层的残余应力分布。A.Frenk测定了不同基材、同种熔覆材料的残余应力状态图，如图4.4-18所示。朱允明利用X射线衍射研究了在45钢基体上镍基热喷涂层经激光熔凝处理后的残余应力。结果表明，激光熔覆层的残余应力状态除受熔覆层材料的基材影响外，也受激光熔覆工艺参数的影响。

激光熔覆层残余应力的试验测定结果由于测量系统会带来误差，并且所测得的残余应力分布是宏观上的，而微观组织中残余应力的分布状态会对熔覆层中微裂纹的产生、扩展产生重要影响，因此测定微观残余应力分布，对解决熔覆层开裂问题具有重要意义。由于微观残余应力的测量困难等因素的影响，目前相关的研究较少。

（4）显微偏析 激光熔覆过程是快速加热和快速凝固过程，其成分分布有以下两个主要特征：

图4.4-18 残余应力分布曲线

1）宏观成分的均匀性，激光熔覆层偏析小。在激光熔覆过程中，由于熔池的寿命十分短暂，而在极短时间内所完成的溶质元素在整个熔池范围内的迁移过程，用普通的扩散理论是难以解释的。在激光熔覆过程中，溶质的传递主要是靠熔池的对流搅拌作用，扩散的作用甚微。由于对流传质作用，成分分布在宏观上是均匀的。另一方面，在非平衡条件下，由于激光加热和冷却过程的速度快，可得到含多种亚稳相、过饱和固熔体、新相的细小均匀的组织，使得偏析最小。

2）微区成分的不均匀性。激光熔覆层组织可观察到胞状晶和树枝晶，在微观组织中存在成分的不均匀性，而这种不均匀性会促进开裂使熔覆层失效。可以通过调整合金元素Cr、Ni元素含量的比值，在Fe66Cr20Ni10B2Si2[成分为（质量分数）66%Fe+20%Cr+10%Ni+2%B+2%Si]自熔合金熔覆层中得到分散的δ相和较大面积的晶界，使有害夹杂物P、S在晶界的偏析减小从而减小热裂倾向。在激光熔覆过程中，偏析是影响其开裂性的重要因素，微区成分偏析（如晶界的微观偏析）的测定及激光熔覆过程的偏析倾向的分析及其对开裂性的影响是目前研究的重点。

4.4.3.2 激光合金化

激光合金化类似激光涂覆，是利用高功率密度的激光束快速熔化的特性，使基体材料表层与根据需要添加的合金元素同时快速熔化、混合，从而形成厚度为10～1000μm的表面合金层。熔化层在凝固时获得的冷却速度（10⁵～10⁸℃/s）相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度，又因熔化层液体中存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象，使材料表面仅在很短的时间（50～20ms）内就形成了具有要求深度和化学成分的表面合金层，其某些性能高于基体，从而达到表面改性的目的。

利用激光表面合金化工艺可以在一些表面性能差、价格便宜的基体金属表面得到耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金，用于取代昂贵的整体合金，从而大幅度降低成本。另外，还可用来制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金。在汽车工业方面，激光表面合金化工艺有着广泛的应用前景，它可以改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能，延长在各种恶劣工作条件下工作的汽车零部件，如轴承、轴承保持架、气缸、衬套、活塞环、凸轮、心轴、阀门和传动构件等的使用寿命，从而提高汽车整体的使用性能。

1.激光合金化分类

通常按合金元素的加入方式将其分成三大类：预置式激光合金化、送粉式激光合金化和气体激光合金化。

（1）预置式激光合金化 它是指先将需要添加的合金元素置于基材合金化部位，然后再进行激光辐照熔化的方法。预置式激光合金化的具体方法主要有：

1）热喷涂法，包括火焰喷涂和等离子喷涂等。

2）化学粘接法，采用粘接剂将粉末制成粘稠状喷涂于基材表面或将薄合金片粘接在基材的表面。

3）电镀法。

4）溅射法。

5）离子注入法。

一般说来，前两种方法适于较厚层合金化，而最后两种方法则适合薄层或超薄层合金化。

（2）送粉式激光合金化 就是采用送粉装置将添加的合金粉末直接送入基材表面的激光熔池内，使添加合金元素和激光熔化同步完成的方法。

同步送粉法比较适合于在金属表面注入TiC、WC类硬质粒子，特别是对CO₂激光反射率很高的铝和铝合金等材料进行表面硬质粒子注入。由于碳化物粒子对CO₂激光具有较高的吸收率，在送粉过程中，较低的激光功率的照射就可以保证合金粉末被加热到相当高的温度，这些炽热的碳化物粒子有助于促进并维持基材表面熔化，完成基材的合金化过程。

（3）气体激光合金化 它是指将基材置于适当的气体中，使激光辐照的部位从气体中吸收碳、氮等并与之化合，实现表面合金化的方法。气体激光合金化通常是在基材表面熔融的条件下进行的，有时也可在基材表面仅被加热到一定温度而不使其熔化的条件下进行。激光气体合金化的典型例子就是钛及钛合金的渗氮，这种激光渗氮法可在极短的时间内（毫秒级）完成，生成5～20μm厚的TiN薄膜，硬度超过1000HV。在激光气体合金化中，反应气体可通过喷嘴直接吹入激光辐照表面，也可将基材置入反应室内，再通入反应性气体。

2.激光合金化工艺制订的一般原则

利用激光表面合金化技术可在一些表面性能差、价格便宜的基体材料表面得到耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金，改变材料表面性能。为了达到预期的目的，满足实际生产的需要，激光合金化工艺的制订普遍应遵循以下原则：

1）必须考虑到合金化元素或化合物与基体金属熔体间相互作用的特性，如可熔解性、形成化合物的可能性、浸润性、线膨胀系数及比体积等。

2）必须考虑激光合金化后的合金层的硬度、耐磨性、耐蚀性及高温抗氧化能力等性能，以达到预期的合金化强化效果。

3）必须考虑到合金化后合金层与基体的结合强度，以及合金层的脆性、抗压、耐弯曲等方面的性能。

3.合金层质量的控制

激光表面合金化层质量的控制包括合金化层中合金元素的含量（合金化程度）的控制以及合金化层裂纹和表面不平整度的控制等。

（1）合金化成分均匀性的控制 激光合金化是一个快速加热和凝固的过程，熔池的寿命很短（<1s），深度可以达到几个毫米。而金属原子在液态金属中的扩散系数一般在10⁴～10⁵cm²/s，按理论计算金属原子的静态扩散距离仅可达到几十纳米，所以在熔池的寿命时间内，表面合金元素的扩散范围是十分有限的。在激光合金化中，原子浓度梯度的扩散对激光合金化成分均匀性的作用是很小的，激光合金化成分的均匀化主要依赖于激光熔池内强烈的对流运动，而激光熔池内的对流是由于表面张力梯度造成的。在激光合金化过程中，质量的传递主要依靠对流作用，扩散只能使溶质局部区域成分均匀，由于对流传质的作用，激光合金化的成分分布在宏观上是均匀的，但在微观区域（几十微米）存在成分的起伏。

影响合金化程度除激光功率密度和光束作用时间等工艺参数外，粉末预涂层厚度也是一个重要的因素。在激光辐照过程中，如果涂敷层的厚度过薄，由于合金粉末的喷溅烧损将无法达到合金化的效果；当涂敷层厚度超过一定值后，激光辐照的能量将大部分被涂敷层吸收，基体表层难以熔解，同样达不到合金化的目的，所以对于激光合金化选择合适的涂敷层厚度也是很重要的。

（2）合金化层裂纹的控制 在激光与金属表层发生相互作用，金属的表层的温度经历急热、急冷的过程，使得与基体材料在热膨胀系数、热导率等存在很大差异的表面合金层与基体之间存在很大的温度梯度，并存在较大的内应力，这些将导致裂纹的形核和长大，造成表层开裂或微观裂纹。

在激光合金化时，涂层与基体对激光能量的吸收系数α和热导率λ的差异是产生热应力的主要原因之一。一方面，吸收系数的差异导致涂层与基体对入射光能量的不同，两者相差越大，温度差异越大，越容易产生裂纹；另一方面，热导率λ影响在冷却过程中温度梯度的大小，λ增大，温度梯度减小，当合金化表层的λ与基体材料的λ差别较大时，在合金化层中的过渡区将出现温度梯度的突变，这就为裂纹的形成提供了条件。为了减少激光合金化表层裂纹产生的几率，可以通过调整合金成分，选择吸收系数α及热导率λ等物理系数差异较小的基体金属与合金化金属进行合金化处理。但是，有时这些方法并非均行之有效，原因在于产生裂纹形核与扩展的根源还在于激光快速加热的特征。

从预防开裂和裂纹形核的角度出发，激光合金化技术的应用实际上受到了合金材料的物理性能的限制，并非任何材料都适合于激光合金化技术的工业应用。

（3）合金化表层不平整度的控制 合金化过程是在基材熔化的状态下进行的，由于激光束能量分布的不均匀，激光熔池中产生了温度梯度和重力梯度，尤其是由于温度梯度而形成的表面张力梯度引起了熔池的搅拌，激光束移动时熔池前沿熔融金属沿着中心凹陷区向后流动，进行对流传质，造成液态金属的外溢现象，从而当熔池迅速凝固后留下了不平整表面。

为了减少和消除激光合金化后表面不平整度，可采取如下主要方法：

1）通过改进入射光束的模式，如采用矩形光斑控制光束截面的能量分布，以降低熔化区中的温度梯度。

2）采用振荡光束，由于熔池表面温度最高点来回迅速变化，使液体的每个增量的表面温度趋于一致。

3）采用大功率激光进行合金化，一方面，在获得较深的合金化层的情况下，通过后续研磨消除粗糙的波纹表面；另一方面，由于在形成不同的熔化区深度下存在一个产生波纹表面的临界激光扫描速度v_c，可以在合金化时采用大功率光束照射时采用超过临界扫描速度v_c的扫描速度，就可避免波纹状表面的产生。

合金化表面不平整与基体材质也有很大关系。如灰铸铁和球墨铸铁相比，灰铸铁因其内部的片状石墨分布不均匀，合金化后片状石墨中含的气体夹杂剧烈集中析出，且易聚合成大孔洞，易造成表面层不平整。

预涂层中粘接剂的选择也直接影响合金化表层的质量。激光辐照时，有的粘接剂剧烈燃烧形成固形物，以烟雾形式从激光作用区逸出，这种燃烧不仅带走一些合金粉末，还造成了熔池深度的波动和熔池的搅拌，从而当熔池迅速凝固后也留下了不平整表面。

激光表面合金化层与基体之间为冶金结合，具有很强的结合力，其工艺的最大特点是仅在熔化区和很小的热影响区发生成分处理及组织和性能的变化，对基体的热效应可减小到很低的程度，引起的变形也极小。它既可以满足表面的使用要求，又不降低材料的整体特性。由于合金元素是完全溶解于表层内，因而获得的薄层成分处理是很均匀的，对开裂和剥落等倾向不敏感。此外，所用的激光功率密度很高（大于10⁵W/cm²），熔化层深度由激光功率和照射时间来控制。由于冷却速度高，所以使得偏析最小，并可显著细化晶粒。