激光表面合金化技术：原理、应用与发展

1.激光表面合金化的原理及特点

激光表面合金化是利用高能激光束加热并熔化基体表层与添加元素，使其混合后迅速凝固，从而形成以原基材为基的、新的表面合金层。激光表面合金化的强化是相变硬化、固溶强化和碳化物第二相强化的综合效果，其中碳化物第二相强化是提高耐磨性的主要因素。

激光表面合金化具有许多独特的优点：能进行非接触式的局部处理，易于实现不规则的零件加工；能量利用率高；合金体系范围宽；能准确控制各工艺参数，实现合金化层深度可控；热影响区小，工件变形小。

2.激光表面合金化的工艺

激光表面合金化可分为以下3种工艺方式。

（1）预置法

预置法是指先将合金化材料预涂覆于需强化部位，然后进行激光扫描熔化，实现合金化。预涂覆可采用热喷涂、气相沉积、电镀等工艺。实际应用较多的黏接法工艺简单，便于操作，且不受合金成分限制。

（2）硬质粒子喷射法

硬质粒子喷射法是指采用惰性气体将合金化细粉直接喷射至激光扫描所形成的熔池中，凝固后硬质相镶嵌在基体中，形成合金化层。(www.xing528.com)

（3）激光气相合金化

激光气相合金化是指将能与基材金属反应形成强化相的气体（如氮气、渗碳气氛等）注入金属熔池中，并与基材元素反应，形成合金化物合金层。例如，Ti及Ti合金进行激光气体合金化，可形成TiN、TiC或Ti（C，N）化合物。

3.激光表面合金化的性能与应用

基体材料经过激光表面合金化处理，可大幅度提高材料的表面性能，这种性能主要体现在耐磨性和耐蚀性两个方面。20钢中加入Ni基合金粉末激光表面合金化，其硬度虽然不及CrWMn钢淬火，但耐磨性提高2.4倍。而在加入Ni基合金粉末的同时加入WC，其耐磨性可提高5倍以上。对Al-Si合金，采用Ni粉末合金化，生成Al3Ni硬化相，硬度达300HV，再加入碳化物粒子，耐磨性可提高1倍。

激光表面合金化主要用于耐磨件的表面处理，如泥浆泵叶轮、拖拉机换向拨叉、螺母攻丝机出料道、轴承扩孔模、冲裁模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件。以WC/Co为添加粉末合金化后，可获得大量碳化物，基体又为马氏体组织，所以其表面硬度达1000HV以上，使拨叉、料道的使用寿命提高10倍以上，冲材模、排粉机叶片使用寿命提高2～3倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽，其强化效果显著，经装车试验，运行14.2×104km后，环槽最大磨损量仅有0.07mm。

激光表面合金化与激光熔覆的区别是，激光表面合金化是在基材的表面熔覆层内加入合金元素，目的是形成以基材为基的新的合金层；而激光熔覆过程中的覆层材料完全融化，其基体熔化层极薄，因而对熔覆层的成分影响极小。

激光表面合金化实质上是把基体表面层熔融金属作为溶剂，而熔覆是将另行配置的合金粉末融化，使其成为熔覆层的主体合金，同时基体合金也有薄层融化，与之形成冶金结合。