激光表面合金化表面熔凝熔覆的区别

2024年3月29日发(作者：正方形的画法)

激光表面合金化表面熔凝熔覆的区别

摘要:

激光表面合金化、激光熔凝和激光熔覆都是激光熔融处理技术，这三者之间既有区别，又有

一定的相同点。在使用过程中，我们要区分好它们之间的区别，以便我们正确地使用不同的技术来

实现工艺要求。

关键词:

表面激光合金化熔凝熔覆 激光是由辐射受激发射产生的光，激光表面处理技术是采用激

光对材料表面进行改性的一种表面处理技术，是高能密度表面处理技术中的一种最主要的手段，它

具有传统表面处理技术或其他高能密度表面处理技术不能或不易达到的特点。

激光表面处理技术工艺注意有激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击三类。激光熔融又有激光

表面合金化、激光表面熔凝和激光表面熔覆等 用表面合金化的方法代替整体合金以节约金属资源

一直是世界范围内材料工作者的重要研究内容之一。激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，

又改变其化学成分的激光表面处理技术。它是用激光束将金属表面和外加合金元素一起熔化、混合

后，迅速凝固在金属表面获得物理状态、组织结构和化学成分不同的新的合金层，从而提高表面层

的耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。激光表面合金化的主要优点是：激光能使难以接近的和局部

的区域合金化；在快速处理中能有效地利用能量；利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均

匀的合金化深度；能准确地控制功率密度和控制加热深度，从而减小形变。就经济而言，可节约大

量昂贵的合金元素，减少对稀有元素的使用。 激光合金化组织结构的主要特征与激光熔凝处理有

相似之处，合金化区域具有细密的组织，成分近于均匀。激光表面合金化所采用的工艺形式有预置

法、硬质粒子喷射法和气相合金化法。预置法是用沉积、电镀、离子注入、刷涂、渗层重熔、氧-

乙炔和等离子喷涂、黏结剂涂覆等涂敷方法，将所要求的合金粉末事先涂敷在要合金化的材料表面，

然后用激光加热熔化，在表面形成新的合金层。该法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。硬质

粒子喷射法是在工件表面形成激光熔池的同时，从一喷嘴中吹入碳化物或氮化物等细粒，使粒子进

入熔池得到合金化层。激光气体合金化法是一种在适当的气氛中应用激光加热熔化基体材料以获得

合金化的方法，它主要用于软基体材料表面，如Al，Ti及其合金。

激光表面合金化利用高功率激光处理的优点在于可以节约大量的具有战略价值或贵重的元素，形

成具有特殊性能的非平衡相或非晶态、晶粒细化、提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏

析。

激光表面合金化的许多效果可以用快速加热和随后的急冷加以解释。在激光加热过程中，其表面

熔化层与它下面的基体之间存在着极大的温度梯度。在激光作用下，其加热速率和冷却速率可以达

到105～109℃/s。通过快速加热和快速冷却导致了许多特殊的化学特征和显微结构的变化，从而达

到改善材料表面性能的目的。

液态的不互溶性在激光合金化中可以被有益地用来制备特殊的薄膜材料，如Au-Ru合金。当液态

的Au接触Ru表面时，熔融Au的能量不足以使Ru熔化，但在激光作用下可使Ru的表面微熔，其结果是

微量的Au在界面处于Ru混合，形成了结合牢固的薄膜材料。就薄膜制备技术而言，这是一种与蒸发

或溅射沉积方法不同的由液态急冷而形成的薄膜组织。这种组织增加了Au膜与Ru基体的附着性。激

光急冷的Au-Ru系材料现成为研制高功率激光所需的金属镜材料之一。

激光表面熔凝处理又叫上釉，是利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形

成一层非常薄的熔化层，并且利用基本的吸热作用使熔池中的金属液以106～108K/s的速度冷却、凝

固，从而使金属表面产生特殊的微观组织机构的一种表面改性方法。在适当控制激光功率密度、扫

描速度和冷却条件的情况下，材料表面经激光熔凝处理可以细化铸造组织，减小偏析，形成高度过

饱和固溶体等亚稳定相乃至非晶体，因而可以提高表面的耐磨性、抗氧化性和抗腐蚀性能。

激光表面熔凝处理一般不需预覆激光吸收涂层，因为一旦表面熔化，吸收层将不复存在，因

而吸收层的材料将不可避免地进入熔融金属中影响熔凝层成分；随着材料温度的升高一至熔化，表

面对激光的反射率下降，有较高的吸收率。表面激光熔凝主要对一下三方面处理处理：铸铁、工具

钢和某些能形成非晶态的材料。前两种材料通过处理以提高硬度，后者具有优良的抗腐蚀性能。根

据被处理的材料和工艺参数不同，激光熔凝处理后得到的组织有非晶体组织、固溶度增大的固溶体、

超细共晶组织和细树枝晶组织。

激光熔凝的主要特点有：

（1） 表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。

（2） 在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的 硬度、耐磨

性和抗蚀性。

（3） 其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可以不再进行 后续磨光而

直接使用。

（4） 表面熔层深度远大于激光非晶化。

激光熔凝原理与激光非晶化基本上相一致，即加热和冷却过程相关的基础理论和实验技术接近。

通常激光熔凝处理的特点是激光能量密度和扫描速度均远小于激光非晶化。因为激光熔凝处理时，

其表面熔化深度大，有时可以mm为单位计量，并且熔体冷凝时，冷却速度没有激光非晶化的精度限

制。因而不要求超快速加热和急冷。

激光熔凝层的组织取决于基体金属的不同。Fe基、Ti基等可以发生固态相变的合金，其激光作用

区的熔凝组织由三层组成：表面熔化区、次层固态相变区、内层过渡区。不可以发生固态相变的合

金的熔凝组织则只是一层熔化区。迄今，对铸铁激光熔凝的研究和开发已做了较多工作。铸铁的种

类和激光熔凝工艺条件的不同，铸铁激光熔凝的组织及其相变的性质有很大的差异。 采用激光熔

凝处理后的工件，通常不再经后续磨光加工就可直接使用。因此，对激光熔凝处理后的表面形貌质

量有所要求。在激光熔凝处理时，熔化区形成的高温度梯度，导致了在表层形成高的应力梯度和熔

体中的环流运动。例如，在铁的熔体中环流的运动速度可达150mm/s。熔体内部压力的变化需要相应

的补偿。它由熔池表面的弯曲来给予，从而影响表面形貌。为了控制工件表面形貌和尺寸，应从以

下两方面做工作。第一是选用最佳的激光熔凝参数和工艺方法。实验表明，激光熔凝参数中，对表

面形貌的显微起伏影响最大的是激光功率密度。对连续激光熔凝处理，其功率密度宜采用5*103～

5*104W/cm2。同时，为了得到最好的表面形貌，激光扫描速度应较低。这样的激光参数，将使熔池

中的环流涡流分解成许多漩涡，使表面形成较小的弯曲。这样处理的工件有表面形貌较好的综合特

性：熔瘤高度小和不平度顶点半径大。第二是工件设计加工时，由预留加工余量来补偿激光熔凝使

表面原始显微起伏的下降量。激光熔凝时，在熔池中加入能减小流体动力学的流体速度的专用添加

剂，可能是改善表面显微起伏的途径。例如，在钢表面涂硫，其熔体运动方向与表面涂碳的运动方

向相反。显然，同时添加硫和碳的混合物，可以在熔池中产生细小的涡流，从而改善激光熔凝表面

的显微起伏。如果因激光熔凝工艺不当，造成工件表面形貌损坏，必须进行后续磨光加工的加工尺

寸与熔化层深度相当，否则将失去进行激光熔凝处理的意义。因为它不仅增加了工件制作的成本，

更重要的是失去了耐磨性能好的熔化层。 激光表面熔覆是使一种合金熔覆在基体材料表面，与激

光合金化不同的是要求基体对表层合金的稀释度最小。通常将硬度高，以及良好抗磨、抗热、抗腐

蚀和抗疲劳性能的材料选择用作覆层材料。与传统的熔覆工艺相比，它具有很多优点：合金层和基

体可以形成冶金结合，极大地提高熔覆层与底材的结合强度；由于加热速度很快，涂层元素不易被

基体稀释；由于热变形较小，因而引起的零件的报废率也很低。激光熔覆对于面积较小的局部处理

具有很大的优越性，对于磨损失效工件的修复也是一独特的方法，有些用其他方法难以修复的工件，

如聚乙烯造粒模具，采用激光熔覆的方法可以恢复其使用性能。激光表面熔覆可以从跟不上改善工

件的表面性能，很少受基体处理的限制。这对于表面耐磨、耐蚀和抗疲劳性能都很差的铝合金来说

意义尤为重要。使用激光进行陶瓷涂敷，可提高涂层质量，延长使用寿命。以激光束作为热源在金

属表面形成金属膜，通过控制激光的工艺参数可精确控制膜的形成。激光气相沉积可以在低级材料

上涂覆与基体完全不同的具有各种功能的金属或陶瓷，其节约资源效果明显，收到人们的关注。激

光表面熔覆工艺有预置法和气动喷注法。前者是先把熔覆合金通过黏结、喷涂、电镀、预置丝材或

板材等方法预置在将熔覆材料表面上，再用激光束将其熔覆；后者是在激光束照射基体材料表面产

生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到熔池内实现熔覆。由于预置法较易掌握，并且处理

后表面较为平滑，故应用较广。 与常规的表面涂覆工艺相比较，激光涂覆具有的涂层成分几乎不

受基体成分的干扰和影响，涂层厚度可以准确控制，涂层与基体的结合为冶金结合，十分牢固、稀

释度小、加热变形小、热作用区也很小，整个过程很容易实现在线自动控制。 激光涂覆的目的在

于提高工件表面的耐蚀、耐磨、耐热、减摩及其他特性。而涂层内基体材料的熔入多少所引起的涂

层成分变化的大小将直接影响到涂层的使用性能。因此，在激光涂覆技术中，存在稀释度的概念。

所谓稀释度是指熔化的基材混入使涂覆材料成分的变化率。用稀释度这个概念可以定量地描述涂层

成分由于熔化的基体材料的混入而引起的成分变化程度。

激光涂覆时，要求其稀释度尽可能低。一般认为其稀释度应小于10%，最好在5%左右，以保证

获得高性能的表面涂覆层。

激光表面合金化、激光熔凝和激光熔覆都是激光熔融处理技术，这三者之间既有区别，又有一

定的相同点。在使用过程中，我们要区分好它们之间的区别，以便我们正确地使用不同的技术来实

现工艺要求。

参考文献: 《现代表面工程技术》姜银方主编化学工业出版社 《表面科学与工程》高志潘红

良主编华东理工大学出版社 《现代表面技术》钱苗根等主编机械工业出版社 《先进材料表面处理

和测试技术》刘勇等主编科学出版社