1 前言
激光表面合金化是一种近几十年发展起来的金属材料表面改性方法。它利用高能激光束的使金属基体表面熔化，同时加入合金化材料，合金元素或者化合物，在表面形成一层与基体成分不同的合金。该合金的成分可以根据需求选择添加不同的合金元素，使其具有不同的性能，如耐磨性能，耐蚀性能、耐高温性能等。因此，激光表面合金化可以通过在廉价金属的表面添加少量的贵重金属材料制备具有特殊性能的合金化层，用以替代整体贵重金属，使廉价金属材料能够广泛应用于特殊工况，从而使生产成本大幅降低[1]。与常规表面处理技术相比，激光表面合金化冷却速度快、不易变形、不需要淬火介质、易于实现自动化，生产效率高，依靠激光表面处理制备的数控机床，可以进行精确选区局部处理等优点，具有很好的发展前景。
自从20世纪六十年开始进行激光合金化的研究以来，因为激光合金化具有很多的优点，欧美各国投入了大量的资源对其进行了广泛的研究。国内自上世纪80年代初期也开始了这方面的研究。由于钢铁材料具有优良的综合力学性能，广泛应用于各类轴类零件、传动部件、紧固件和各种模具，服役过程中对其表面耐磨耐蚀性能有较高的要求。因此，有较多的研究集中在如何通过激光表面合金化技术改善钢铁材料表面的耐磨耐蚀性能，本文综述了近些年来钢铁材料表面合金化的研究进展。
2激光合金化的工艺特点
2.1 合金化材料的选择与应用
激光表面合金化的原理主要是通过在基体表面引入合金元素，改变基体表层的成分，从而在表面获得满足需求的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能。因此，添加的合金元素必须使合金化层形成具备这些性能的物相。由于激光合金化过程中冷却速度非常快，为了保证激光合金化层不开裂，还要考虑表面合金化层的润湿性、膨胀系数和比容等物理性能与基体材料的匹配性。另外，也要考虑材料合金化材料的利用率及生产成本等因素。在合金化组元的选择上,既有金属元素（Cr、Ni、W、Ti、Mo、Ni、Mn等）[2]，也有非金属元素（如C、N、B、Si等）[3]，还有稀土元素[4]。这些元素主要是通过直接添加化合物、元素单质或两种混合物的形式引入，在合金化层中形成碳化物[5]、氮化物[6]等难熔硬质相颗粒以及金属间化合物[6]，可以有效提高基材表面的耐磨耐蚀等性能。
2.2 激光合金化粉末的引入方式
激光合金化是在采用高能激光束熔化基体表面的同时加入合金化材料粉末，以便形成与基体不同成分合金的过程。因此，如何把合金化材料粉末加入激光熔池是一个需要考虑的问题。目前，比较常用的加入方式主要有预置涂层和同步送粉两种。
预置涂层主要是把合金化粉末和有机粘接剂配置成合金化涂料，通过刷涂或者喷涂的方式在试样表面[7]。然后再采用高能激光束扫描涂料层，完成激光合金化。涂覆之前要对试样表面进行去油污、去氧化皮处理。目前常用的有机粘接剂主要有紫胶乙醇溶液、加有PVC塑料粘接剂的丙酮溶液、环氧树脂等。预置涂层法操作简方便，但是对工人刷涂或喷涂的技术要求较高，难以保证整个表面的涂层厚度均匀一致。另外，在进行大面积激光合金化时，需要采用多道搭接。因此在进行本道激光合金化时，高能激光束容易造成临近下一道涂层边缘的合金元素被烧蚀，从而影响表面合金化层的质量。
同步送粉法主要是通过采用送粉器将合金化粉末直接送入基体表面的熔池，以实现激光合金化。由于同步送粉时合金和粉末是同步的，可以避免采用预置涂层时合金元素的烧蚀。同时，同步送粉容易实现自动化，送粉速度易保持匀速，可以保证涂层厚度均匀一致。所以近年来同步送粉激光合金化得到了一定的发展。同步送粉法主要有两种方式[8]，如图1所示。一种是侧向送粉，在激光束的一侧安装送粉管，激光合金化时将粉末送到熔池附近。粉末利用率较高，送粉具有方向性，在平面工件加工时具有良好的效果。但是对于复杂形状，如曲面、立面等位置的加工则具有局限性。一种是同轴送粉，即在激光束的周围布置多个送粉管道，通过气流将粉末经多个送粉管道会交于基体表面熔池，可以有效地完成复杂零件和曲面的加工。但是粉末受到输送气流的影响较大，难以控制粉末流向，粉末的利用率较低。因此，无论是侧向送粉还是同轴送粉，都有各自的优缺点，需要不断的设计与改进，研究高粉末利用率的送粉器。
（a）侧向送粉 （b）同轴送粉
图1 同步送粉法示意图
2.3 激光合金化层的特点
激光合金化涂层的形貌示意图如图2所示。激光合金化试样横截面由合金化层、热影响区以及基体三部分组成。合金化层形貌一般呈现月牙状，月牙中心位置厚度较大，而边缘位置的厚度较小。这种形貌的形成与激光光斑的特性相关。因为激光光斑内的能量呈高斯分布，中间能量密度大，边缘能量密度小。因此，熔池中间部位所能熔化的基体深度要比边缘要深得多。合金化层与基体呈现冶金结合，上表面有的微微下凹，也有些微微上凸，这和激光合金化的工艺参数有关。
激光合金化时，熔池的上端到基体方向的散热情况较为复杂，成分、凝固状态、过冷度等都有一定的差异。因此，沿激光合金化层的顶端到基体方向上的组织都有一定的差异。一般来说，激光合金化层的组织即有胞状晶，也有枝晶[9]。熔池中心部位的过冷度相对于熔池边缘较低。因此，一般胞状晶位于熔池的中心位置，而枝晶位于熔池的边缘及下部位置。热影响区主要有马氏体和残余奥氏体组成[10]。由于激光合金化时的冷却速度非常快，合金化层的组织一般都较为细小和致密，而且一些难容的硬质相颗粒常常分布于晶界处[11]。
图2 激光合金化层示意图
3激光表面合金化层的性能
3.1 耐磨性能
激光合金化提高基体表面的耐磨性能，主要是通过在合金化层中形成硬质相颗粒或金属间化合物等高硬度耐磨相来实现的。合金化层中的高硬度耐磨相的形成主要有两种方法。一种是直接添加硬质相颗粒，如碳化物（WC、TiC、SiC）、氮化物（TiN）、硼化物、氧化物等粉末为合金化材料。如王洪金等人[12]通过直接添加WC颗粒提高合金化层的耐磨性能。
另外一种是添加形成硬质相所需的元素，激光合金化时元素之间发生冶金或化学反应，原位合成所需硬质相或者金属间化合物。如王辉等人[13]在45钢表面采用原位合成的方式形成TiN陶瓷相和TiC增强相，合金化层的硬度最高可以达到973HV0.1，而基体硬度只有200HV0.1，耐磨性能也得到了明显的改善。
韩甜等人[14]对比了直接添加C5T4W硬质相与原位合成硬质相的合金化层，发现原位合成增强相比直接添加的耐磨性能要好，原位反应生成的相一般弥散分布于晶界处，而直接添加的颗粒分布于胞状晶内部。
3.2 耐腐蚀性能
实际工程应用中，许多的工件面临着环境造成的腐蚀，导致工件的失效。因此，如何提高工件表面的耐腐蚀性能也是一个必须解决的问题。激光表面合金化可以通过改变工件表面的成分，以提高表层的耐腐蚀性能。王昆等人[15]在不锈钢表面以Mn-Al2O3 和Mn-Al2O3-NiWC为合金化材料制备了高锰钢基复合涂层，耐腐蚀性能为基体的1.32倍。Wu等人在304不锈钢表面制备了FeCoCrAlNiTix激光合金化层，分析了Ti含量对合金化层耐蚀性能的影响。研究发现，当Ti的摩尔比值为2时，合金化层在蒸馏水中具有最好的抗空蚀性能，但在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性能最差[16]。
4. 激光合金化技术的发展趋势
激光表面合金化技术相较于传统的表面改性技术，具有显著的优势，是将来最具发展潜力和竞争力的表面改性方法之一。笔者认为未来激光合金化技术的发展趋势主要是开发智能化激光合金化系统。该系统可以根据工程需求自主选择合金化材料、确定工艺参数、对工艺过程进行实时监测并实时调整工艺参数，实现需求、工艺过程、组织性能的智能化闭环控制。要实现智能化激光表面合金化，应着重解决以下几方面的问题：
1）高性能激光器的研制。受限于激光器功率，目前的激光合金化工艺多采用小于5mm直径的光斑尺寸，工作效率低下，难以适应大面积的激光表面合金化，应开发高功率激光器。另外由于激光光斑内的能量呈高斯分布，中间能量密度大，边缘能量密度小，导致激光合金化层的组织性能不均匀。因此需要开发高性能激光光斑整形技术，使其分布均匀。此外，激光的稳定性严重影响激光合金化工艺的重复性，需要开发高质量光源。
2）目前采用的同轴送粉器粉末利用率较低，需开发高性能同轴送粉器。
3）工艺过程实时监控调节系统的研究。能够对工艺过程中熔池的行为进行实施监测并进行实时调节，实现加工过程的闭环控制。
4）完善的激光合金化材料体系的研究。目前研究较多的是改善表面的耐磨和耐腐蚀性能，但是对于导电、导热等特殊性能的合金化层研究较少。因此，需开发多种性能的激光合金化材料体系，实现对合金化层成分的精确控制，建立合金化材料数据库，适应不同的工程需要。
5）激光合金化层性能调控体系的建立。目前的研究大多是研究工艺参数等方面对合金化层组织性能特征的影响，并没有对激光合金化工艺过程中的传热、对流、凝固等进行深入系统的研究，缺乏相关的理论基础，没有建立工艺、过程、组织、性能之间的映射关联。因此，需完成相关基础理论研究，建立工艺—性能数据库。
5. 结语
激光表面合金化技术可以显著改善材料表面的性能，极大地提升工件的服役寿命，大幅度节约生产成本，是最具发展潜力和竞争力的表面改性方法之一，具有极大的工程应用价值。
【参考文献】
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[10] C.L. Wu, T.Z. Xu, Z.Y. Wang, 等. Laser surface alloying of FeCoCrAlNiTi high entropy alloy composite coatings reinforced with TiC on 304 stainless steel to enhance wear behavior[J]. Ceram Int, 2022, 48(14): 20690-20698.
作者简介：蒲华林（1981-），男，四川南充人，本科，工程师, E-mail: zengw2649@qq.com
通信作者：熊志红（1983-），男，江西贵溪人，博士，副教授，E-mail: xiongzhh5＠qq.com
