激光表面处理技术及其在不锈钢上的应用

　　不锈钢作为一种综合性能优良的结构材料，在核能、航天、石油、化工等领域获得了广泛的应用。但是，目前没有一种不锈钢能抵抗所有介质的腐蚀，即不同类型或成分的不锈钢适用于不同的介质环境。而研究表明，通过对不锈钢表面进行一定的处理，可以使耐蚀性或者抗高温氧化性能提高。这些表面处理的方法有传统的表面处理方法，如电镀、化学镀、热渗镀等；近代表面处理技术有离子注入、激光表面处理、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等。
　　其中，激光技术自20世纪60年代实用化以来就在各工业领域广泛使用，激光具有的独特热效应和力学效应使其在材料表面处理上得以较广泛的应用。应用较多的激光表面处理技术有激光熔覆、激光合金化、激光冲击硬化和激光相变硬化等，激光表面处理的精度高、可控性好，处理试样表面变形小，特别是对环境的污染小，因而是一种很有前途的绿色表面改性技术。近年来采用激光表面处理提高不锈钢的性能已经成为不锈钢表面处理改性的一种新方式。下面对激光表面处理技术及其在不锈钢上的应用进行综述简介。一、激光表面处理技术的原理及特点
　　激光是一种相位一致，波长一定，方向性极强的电磁波，激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光（直径只有0。1mm），从而可以获得极高的功率密度（104109Wcm2）。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。
　　激光束具有高能量密度、快速凝固等特点，激光表面改性技术对于提高不锈钢表面的耐蚀性和抗高温氧化性能有着其独特的优点。激光表面改性技术改善不锈钢表面的性能主要分为两条途径：一是通过激光相变硬化、激光重熔等实现对不锈钢表面组织的优化，而不改变所含成分；二是利用激光熔覆和激光表面合金化在不锈钢基体上制备特殊性能的表面层，达到优化表面显微组织和成分。一般所用的方法是激光重熔、激光熔覆、激光表面合金化等技术。
　　激光表面处理是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。它在材料加工中的优点如下：（1）能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化；（2）能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后工件变形小；（3）处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线；（4）改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低：（5）通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材；（6）由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力于发展安全设施，确保人员安全。
　　二、激光表面处理技术的分类及应用
　　激光表面处理的技术较多，下面介绍常用的一些用于不锈钢上的激光表面处理技术。1）激光表面合金化技术
　　激光表面合金化是先在金属表面涂覆少量合金元素，再用激光进行表面熔化，其温度足以使基体和合金元素达到熔化状态。由于温度不均匀而产生的湍流现象使合金元素与基体表层充分混合，在快冷后形成不同于基体的合金化表面，该熔化层的厚度101000m。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。激光表面合金化工艺的最大特点是仅在熔化区和很小的影响区内发生成分、组织和性能的变化，对基体的热效应可减少到最低限度，引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要，同时又不牺牲结构的整体特性。它的另一显著特点是所用的激光功率密度很高（约105Wcm2）。熔化深度由激光功率和照射时间来控制。在基体金属表面可形成0。012mm厚的合金层〔1〕。由于冷却速度高，使偏析最小，并显著细化晶粒。
　　有研究者〔2〕采用Mo元素，利用激光表面合金化改善304不锈钢表面的抗点蚀性能。所制备涂层的组织细小，显微硬度比基体高23倍，显著提高了表面的抗点蚀性能。因为Mo能提高不锈钢的钝化能力，含Mo的钝化膜致密而稳定，在许多腐蚀介质中不易溶解，可防止Cl对膜的破坏，因此含Mo不锈钢具有很好的抗点腐蚀能力。再如，研究人员〔3〕在304L有不钢表面用Cr，Ni和Mo进行激光合金化处理，发现11Mo合金化的抗腐蚀性能最佳。一系列研究指出，激光表面合金化处理的确可以提高材料的耐腐蚀性能。2）激光表面熔覆技术
　　激光表面熔覆技术是在基体表面涂覆一层较厚的合金元素，当激光束作用在涂层上时，涂覆的合金元素发生合金化反应，生成所需的合金层完全覆盖在基体上面；同时，基体表层发生熔化，与合金层产生冶金结合。这样，表层的合金层把基体与腐蚀介质隔绝开，材料的腐蚀性能就由合金层决定。激光表面熔覆技术作为一种表面强化技术，具有以下特点：（1）冷却速度快（高达106Ks），组织具有快速凝固的典型特征；（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敷高熔点合金；（4）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；（5）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷；（6）工艺过程易于实现自动化。
　　激光熔覆技术依靠激光处理本身的特性改变材料表层的结构特征、成分分布和应力大小，最终达到改善材料抗腐蚀性能的目的。研究者〔4〕用激光溶凝法处理了含Mo奥氏体不锈钢焊接区，发现激光熔凝处理后的材料抗腐蚀性能有明显提高。进一步采用SEM（扫描电镜）观察了激光处理前后焊接区金属的微观结构，发现激光表面熔凝处理后的材料表面晶粒比未处理的细小得多。还有类似这样的报道〔5〕：研究者利用激光表面熔化技术处理304不锈钢后其抗晶界腐蚀性能，实现了基体材料的去敏化，且表面具有很好的抗晶界腐蚀性能。还有研究者〔6〕已经尝试研究利用激光熔化技术去除冷加工和敏化处理后AISI316不锈钢的晶间腐蚀的敏感性。类似地还有研究者〔78〕分别对316L和304不锈钢进行激光重熔，该技术使表层组织得到改善且无敏化组织，是延长敏化处理后试样使用寿命的有效方法。3）激光冲击硬化技术
　　激光冲击强化（LSP）是利用高功率密度、短脉冲激光诱导的高幅值冲击波使材料发生塑性变形，并在冲击表面形成残余压应力来对材料进行强化处理的新方法。激光冲击处理具有应变影响层深，冲击区域和压力可控，对表面粗糙度影响小，易于自动化等特点〔9〕。与喷丸相比，激光冲击处理获得的残余压应力层可达1mm，是喷丸的25倍。而挤压、撞击强化等强化技术只能对平面或规则回转面进行。另外，激光冲击处理能很好地保持强化位置的表面粗糙度和尺寸精度。
　　该技术在不锈钢的一个应用实例是，研究者〔10〕探究了激光冲击强化（LSP）过程中冲击波柔性加载条件下靶材的表面形貌与变形机理的联系，采用短脉冲强激光对304奥氏体不锈钢表面进行LSP处理，在没有对材料表面进行腐蚀的条件下，利用光学显微镜直接观察了LSP处理后材料的表面，并分析了其表面形貌特征与形成机理。研究发现，表面形貌呈现了多晶面心立方（FCC）金属的塑性变形特征，所浮现的形变组织能够直接反映材料在冲击波加载下的变形机制，激光冲击后材料的表面形貌与塑性变形机制具有对应关系。4）激光表面淬火技术
　　激光淬火又称为激光相变硬化，是指以高能材料热处理密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体，经随后的快速冷却，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术。
　　其主要特点有：（1）材料表面的高速加热和高速自冷。加热速度可达104109s，冷却速度可达104s，这就有利于提高扫描速度及相应的生产率。（2）激光淬火处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高520，可获得极细的硬化层组织。（3）由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及变形小。（4）可以对形状复杂的零件和不能用其它常规方法处理的零件进行局部硬化处理，如具有沟槽的零件。（5）激光淬火工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制，自功化程度高，可纳入生产流水线。（6）激光淬火靠热量由表及里的传导自冷，无需冷却介质，对环境无污染。
　　激光淬火由于以上优点而得到较为广泛的应用〔11〕。发动机缸体表面淬火，可使缸体耐磨性提高3倍以上；热轧钢板剪切机刃口淬火与同等未处理的刃口相比寿命提高了一倍左右；而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火、齿轮齿面淬火、发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火。美国通用汽车公司自1974年首次将CO2激光器用于激光淬火以来，先后建立了17条激光热处理生产线，每日可处理零件3万件。该公司对易磨损的汽车转向器齿轮内表面用激光处理出五条耐磨带，克服了磨损问题，且基本无变形。我国也在积极进行激光淬火的研究和应用实践，天津某无线电厂采用美国820型1。5kW横流CO2激光器对硅钢片模具进行表面淬火，大大提高耐磨性，使用寿命提高了10倍。
　　5）激光非晶化技术
　　激光非晶化是利用激光熔池所具有的超高速冷却条件使某些成分的合金表面形成具有特殊性能的非晶层。与其它非晶化方法比较，激光非晶化可望在工件表面大面积地形成非晶层，而且形成非晶的成分也可扩大。
　　20世纪70年代末随高功率连续CO2激光器的商品化，人们开发了连续激光非晶化的研究，以实现高覆盖率和较大面积的非晶层。该项技术通常用高功率CO2激光器（120kW），由于要求聚光斑功率密度高于106Wcm2，激光束的质量要求相应提高。一般采用高斯模或低价模的快速轴向流动CO2激光器或输出低价模的横流CO2激光器。三、结语
　　利用激光表面改性技术能显著提高不锈钢表面的耐蚀性和抗高温氧化性能。激光表面处理技术作为一种高速高效的表面处理技术，在防腐蚀工程方面必将有着极大的运用前景。对表面涂覆层腐蚀机理的研究，提高激光表面处理效率，选择正确的工艺与合理的添加元素，将是激光表面处理技术以后的研究重点。