激光表面熔覆及合金化技术

一般钢铁材料在进行激光表面相变硬化时，其表层是熔化的，为了加深表层硬化层才使表层熔化。表层熔化时，可使合金元素溶入表层基体材料中，以提高表面耐磨蚀性、耐磨性和抗冲击强度等。这种表面处理有表面合金化、表面涂覆、非晶化和快速熔凝等。

1 激光表面熔覆

激光表面熔覆（Laser Surface Cladding, LSC）是使金属或合金粉粒在激光处理时完全溶化，同时尽量减少基体熔化，从而在基体表面形成一个主要由熔化粒子组成的涂覆层。涂覆材料可由水玻璃之类的粘合剂调好后涂上，也可使粉粒同气体一起从喷嘴出涂在零件表面。自熔式合金粉末有泉基、钴基、铁基、铜基、碳化钨型等。

与传统的涂层技术相比，激光熔覆具有以下优点：1）冷却速度快（高达106C/S），发生非平衡凝固，组织细小，固溶度增大，甚至产生亚稳相、超硬弥散相、非晶等。2）热输入小，畸变小，涂层稀释度低，一般小于5%，与基体呈冶金结合。3）许多金属和合金能够熔覆到任何金属和合金上，特别是能在低熔点金属上熔覆高熔点合金。4）能进行选区熔覆，材料消耗少。5）激光光束瞄准，能够使难以接近的区域熔覆。6）工艺过程易于实现自动化。

美国通用汽车公司在铝气缸盖气门座上用激光熔覆一层较硬的耐磨材料，省去了气门座以及相关的气门座压入工序，气缸盖空间尺寸因此也增大，相关设计更合理，成本下降。

日本雅马哈摩托车为了提高新鲜混合气体的填充效率，在四冲程发动机上采用二进二排的四气门机构后，又采用了三进二排的五气门机构，结果功率提高了10%，燃油消耗降低了50%。这种的结果是省去气门座，采用气门座激光熔覆技术。使用该技术的雅马达车型有TMD850、YZX750、EF750等。

Toyota公司也在铝合金汽缸盖上激光熔覆铜基合金复合材料，耐磨性得到了显著地提高。Fiat最早开始开展激光熔覆阀座、阀柄、铝合金汽缸体工业应用的试验研究。

为减轻摩托车重量，国外已成功地使用增强铝合金取代铁子减油缸。其方法在铝合金油缸内表面熔覆一层碳化硅陶瓷微粒，使其弥散到油缸内表面，形成一层坚硬的碳化硅离子增强铝合金复合材料层。这种油缸具有极佳的耐温、耐磨、耐冲击等性能，能承受摩托车减振器极苛刻的往复运动负荷。而且重量减轻了2/3，使用寿命提高了3~5倍。

2 激光表面合金化

激光表面合金化是利用激光束使合金元素与基体金属表面熔化、混合，在很短的时间（0.1~10S）内形成具有要求深度和化学成分的表面合金。激光合金化是局部改性处理的新方法，是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有极大的技术经济效益。常按合金元素的加入方式将其分为三大类，即预置式激光合金化，送粉式激光合金化和气体激光合金化，激光合金化技术主要有以下特点：1）所需激光功率密度高（105W/cm2）。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深为0.01~2mm的合金属；2）大多数材料可在不同的基体上合金化，因此可根据零件耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等工作要求，配制表面合金成份；3）由于基体受热影响压力，所以零件的热变形极小；4）形成的强化层是由合金化层和基体上受热影响层组成，界面层为冶金结合，故结合力极强。

利用激光合金化技术可在一些表面性能差、价格便宜的金属基本表面制出耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金，用以取代价格昂贵的整体合金，从而大幅度地降低成本。如在活塞环基体上用含有WC、TIC质点弥散分布在细小、均匀、致密的共晶FeCB介税基底上，结果合金化层平均显微硬度达1200HV。台架试验表明具有优异的耐磨性。