激光表面合金化的研究进展及其应用

2024年3月29日发(作者：爬山作文400字)

激光表面合金化的研究进展及应用

（袁中涛 20100110）

摘要：激光表面合金化是一种材料表面改性处理的新方法，具有广阔的应用前景。

本文综述了激光表面合金化的研究现状，其中包括激光表面合金化工艺制定的基本原理

及工艺分类，合金化涂层的组织特性与性能。介绍了研究的材料类型及方法，国内外研

究重点以及最新研究成果和理论分析，并且简要讲述了激光表面合金化在实际工程中的

具体应用及研究展望。同时本文指出了激光合金化当前研究存在的有待解决的问题和今

后需要改进的方向。

关键词：激光表面合金化 合金化涂层 基体材料 冶金结合

正文：激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，有改变其化学成分的激光表

面处理新技术。它是利用高能激光束将基体金属表面熔化，同时加入合金化元素，在以

基体为溶剂，合金化元素为溶质基础上形成一层浓度相当高、且相当均匀的合金层，从

而使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能。激光表面

合金化能够在一些价格便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨损、耐腐

蚀、耐高温抗氧化的表面合金层，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略

材料，使廉价基体材料得到广泛应用，从而使生产成本大幅下降。

与常规热处理相比，激光表面合金化能够使难以接近的和局部的区域合金化，在快

速处理的过程中能够有效的利用能源，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。而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不

需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点，具有很好的发展前景。目前。激

光表面合金化研究领域不仅限于低碳钢、不锈钢、铸铁，而且还涉及到钛合金、铝合金

等有色金属

[1,2]

。

1. 激光表面合金化的基本原理和工艺分类

1.1 激光表面合金化的基本原理

激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性

好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米级别)小斑点上，加上它本身强度高.

故可以使焦点处的功率密度达到105～1013 W/cm2.温度可达1万°C以上。在这样的高

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温下。任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性

很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合

过程。

激光合金化(1ar Surface Alloying，LSA)是金属材料表面局部改性处理的一种新方

法。是在高能量激光束的照射下.使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金素同

时快速熔化、混合，形成厚度为10～l 000μm的表面融化层，使材料表面在很短时间

内形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层。这种合金化层由于具有高于基材的某

些性能.所以能达到表面改性处理的目的。在农用汽车工业方面，激光表面合金化工艺

可以明显改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。延长在各种恶劣工作条件下工作

的农用汽车零部件如轴承、轴承保持架、汽缸、衬套等的使用寿命。

1.2 激光表面合金化的工艺分类

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、粘

结剂涂覆等预涂覆方法，将所要求的合金粉末事先涂覆在要合金的材料表面，然后有激

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是普遍采用

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者氮

化物等细粒，使粒子进入熔池达到合金化层。

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，它主要用于软基材料表面，如铝、钛及其合金

[3]

。

2. 合金化涂层的组织特性和性能

2.1激光表面合金化的组织特性

激光表面合金化涂层组织特征与其具体工艺条件及温度梯度与凝固速度之比有关。

激光表面合金化过程中，温度梯度、溶质浓度、晶体长大速度均随时间变化，所以激光

表面合金化涂层组织具有复合性特征，主要组织特征类型有三种：①平面晶一—胞状晶

一—胞状树——枝晶——树枝晶；②胞状晶一胞状树枝晶一树枝晶；③胞状树枝晶一树

枝晶。

2.2激光表面合金化的性能

当前研究认为，激光表面合金化涂层与基体材料呈良好的冶金结合，结合强度高，

能够显著提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能，获得了广泛应

用。

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