激光热处理的现状及发展

作者：

欢迎访问e展厅 展厅 3 热处理设备展厅 退火炉, 渗碳炉, 盐浴炉, 真空炉, 淬火炉, ... 摘　要：作者从4个方面介绍了近年来我国激光热处理的现状及发展：(1)激光硬化；(2)激光熔覆；(3)激光合金化；(4)工程应用。 关键词：激光相变硬化；激光冲击硬化；激光熔覆；激光合金化 1 前言 我国激光热处理的研究、开发和应用，自70年代由铁科院金化所和中科院长春光机所等单位率先开展以来，已有20多年的历史。迄今，我国开展激光热处理的单位已遍及除西藏以外的各省、自治区、直辖市。在国家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”攻关和“863”计划，国家自然科学基金和各地的科技发展基金的支持和引导下，取得了大量有价值的研究成果，并有若干突破性进展，取得了一定规模的工业应用。在我国，激光热处理领域的产、学、研相结合的格局已经初步形成。可以预期，经过坚持不懈的努力，将有更多的突破，市场的开拓也必定会有更大的进展。 2　激光硬化 2.1　激光相变硬化的强化机理和组织的研究 重庆大学[1]对GCr15钢经激光淬火后引起高硬度(1065HV)的原因用光学金相、扫描和透射电镜、X光衍射仪、俄歇分析仪及电子探针作了系统的试验研究。提出GCr15钢激光相变硬化机理为：①以马氏体相变强化为主，马氏体很细，尺寸为0.196μm×1.8μm，马氏体位错密度很高，达2.3×1012条／cm3，马氏体的含碳量高达0.90%；②残留奥氏体显著强化，其位错密度达3.6×1012条／cm3；③晶粒超细化(ASTM　No．16)和碳化物细化(最表面处为0.59μm，离表面0.1mm处为0.41μm)及弥散分布。山东工业大学[2]对W18Cr4V高速钢经激光相变硬化后的强化机理和组织性能作了研究：激光相变区的晶粒由原来的8级提高到12级，残留奥氏体量较常规淬火有明显减少，约10%～15%，相变区的马氏体为针状马氏体和板条马氏体的混合组织。激光快速加热时间虽短，仍存在碳化物的不完全溶解以及碳和合金元素的不充分扩散，扩散距离约数百nm数量级，碳化物的溶解以尖角-均匀溶解机制进行。激光相变硬化层的硬度峰值为946HV，红硬性比常规淬火高出80℃，640℃回火后硬度峰值达到1003HV，耐磨性较常规热处理提高1～2.8倍，经640℃回火后耐磨性提高5.3～8.1倍，刀具的切削性能提高2倍以上。上海工程技术大学[3]研究了硼铸铁的激光热处理，研究表明：硼铸铁经激光处理后，磨损值降低45.7%。激光热处理提高硼铸铁耐磨性的原因是激光硬化层的高硬度及合理的硬度梯度以及局部熔化区对石墨片割裂的封闭。关于强化机理的研究还有许多精彩的报道，限于篇幅无法一一列出，但这些工作已经并将继续为激光相变硬化的工程应用作出积极的贡献。 2.2　激光相变硬化的温度场及相变硬化区尺寸的计算 为了实现激光相变硬化工艺的计算机控制，早日达到实际应用，正努力解决两个问题：①快速计算；②减少计算与实际间的误差。昆明理工大学[4]对稳态温度场的计算公式进行快速傅里叶(Fourier)变换，可以迅速对温度场求解，在求解过程中已不必进行关于时间的积分运算，使计算速度显著增加，与同精度的有限元或有限差分等纯数值计算相比，计算速度快两个数量级以上。实际证实，计算与试验结果之间的相对误差在10%左右。对瞬态温度场计算公式，利用快速Fourier变换[5]，即FFT技术，可使温度场的求解速度大大加快，效果与稳态温度场时相同。此方法适于任意给定的激光功率密度分布。如果能有效监测实际光束的功率密度分布，并能迅速计算激光与物质的相互热作用，对于保证激光热处理的质量有重要意义。上海海运学院[6]采用非稳态瞬时热源解法，导出了描述激光淬火对零件内部热循环过程及快速估算硬化层深度的近似公式，简便实用，误差较小。 我们知道，在激光作用下材料吸收激光能量的过程和随后往内部传递热能的过程应该遵守热力学的基本定律，但它明显地有着自身的特殊性，如热过程速度极快、温度梯度大、激光束斑的功率密度分布不均匀而且随时间还会发生变化；激光作用又有连续和脉冲两种方式，在激光作用过程中材料对激光的吸收率以及一些热力学参数随温度变化而变化等。当然不可忽视的是：在激光作用下不同材料本身的组织、结构、成分及其在热作用过程中的变化规律差别很大。因此，激光与材料相互作用过程是一个非常复杂的问题。许多计算方法及其得出的公式都是在限定条件的情况下提出的，若所作的假设与实际情况相差甚远，则基本上对实际热处理工艺的制定没有直接的指导作用。近期的一些研究在这方面已作了很大的努力，试图接近实际，但看来要实现激光相变硬化的计算机控制还有一段距离。 2.3　激光淬火用光热转换材料的研究 一般来说，需激光硬化的金属材料表面都经过机械加工，表面粗糙度很小，对激光的反射率可达80%～90%，因此通常采用对激光有较高吸收能力的涂料进行预处理。在这方面长春光机所、清华大学等单位做了许多探索。近年来上海工程技术大学[7]以光热转换材料(简称吸收涂层)的光谱发射率及激光相变硬化区面积为依据，研制成以金属氧化物为主的混合氧化物的新型光热转换材料。该材料对CO2激光的吸收率达90%以上，具有工艺性能良好、干燥快、无刺激性气味和激光处理过程中无反喷等优点，有较好推广应用价值。华中理工大学[8]比较了国内有些单位采用的两种光热转换材料——磷化膜与SiO2胶体涂料，得到以下结果：①SiO2胶体涂料的光热转换效率优于磷化膜的；②由于基体与磷化液之间的化学反应造成表面粗糙度增大，且磷与铁之间形成低熔点脆性共晶相，引起硬化层出现晶间微裂纹。所以SiO2胶体的淬硬层质量优于磷化膜；③SiO2涂层的工艺过程简单，无环境污染，灵活性强。 从目前来看，激光相变硬化的工业应用离不开采用适宜的光热转换材料。如何保证大批量工业应用过程中涂覆光热转换材料的稳定性、均匀性及可检测性并进一步降低生产成本，还需做进一步工作。 2.4　激光加常规复合处理 激光热处理是一项新技术，有非常明显的特点，也有一定的适用范围，将激光热处理与适当的常规热处理技术巧妙地结合起来，优势互补，显然是非常好的思路。 北京航空航天大学[9]对球墨铸铁材料先用激光表面重熔处理，然后在750℃石墨化退火，使快速凝固共晶渗碳体亚稳相部分地转变为石墨，成功地制得了既含硬质耐磨快速凝固共晶渗碳体，又含弥散石墨的新型铁基多相耐磨材料。通过改变退火时间来调节渗碳体和石墨的相对量。由于渗碳体的较佳耐磨性加上石墨的自润滑，是较理想的摩擦学材料。长春光机学院[10]对18Cr2Ni4WA钢先行渗碳处理，使碳呈梯度分布，然后激光相变处理。在复合处理作用下，硬化层分成3个区：第一区为表层完全淬硬区，其最表面为针状马氏体＋渗碳体＋残留奥氏体，次表面为针状马氏体＋板条马氏体＋残留奥氏体；第二区为过渡层，由马氏体＋回火析出碳化物组成；第三区为高温回火区，由回火索氏体组成。 随着经济发展，对机械零部件的性能要求将是多种多样的，采用一种热处理工艺往往难以解决问题。因此复合热处理技术的市场需求会有一定程度的增长。 2.5　激光冲击硬化 激光冲击处理(LSP)主要是利用强激光与材料表面相互作用产生的力学效应——强应力波来改善材料性能。此技术能有效地强化钢、铝、钛、镍等金属材料，特别是2024T3铝合金经激光冲击强化后，疲劳寿命提高4倍。近年来，我国从3个方面开展对激光冲击处理的研究：①激光冲击处理对金属性能的影响及工程应用；②激光冲击强化的微观机理；③激光冲击处理的强化效果的无损检测。 江苏理工大学及南京大学[11]对2024T62铝合金进行激光冲击处理，激光冲击区的硬度提高42%，在95%置信度下，LSP试件的中值疲劳寿命是未激光冲击试样的5.4～14.5倍。江苏理工大学[12]也对常用的45钢进行激光冲击处理，LSP区硬度提高32%，LSP试件的中值疲劳寿命是未冲击试件的1.11～2.133倍(置信度95%)。由于激光冲击的应力波持续时间极短(微秒)，特别是指有效地处理成品零件上具有应力集中的局部区域，例如提高成品零件上拐角、孔、槽等局部区域的疲劳寿命，所以LSP技术的工程应用前景较好。华中理工大学[13]的研究工作表明，激光冲击处理大幅度提高LY12-CZ铝合金的疲劳寿命的微观机理是激光冲击后的位错密度提高21倍以及在材料表面产生49.43MPa的残余压应力。在激光冲击处理的退火态T8钢中[14]看到了由于激光冲击诱发相变而产生的马氏体组织，解释了硬度提高2倍的原因。再按照压电转化原理，计算出[15]激光冲击在LY12-CZ铝合金中形成的瞬态冲击波的量值为MPa级，并且激光冲击波是由一系列不同频率的波叠加的结果，其中高频波所占比例较大。南京大学[16]提出用表面粗糙度和微凹坑两个表面质量指标并分成4个等级，作为在实际生产应用中判别和控制激光冲击强化效果的无损检测手段。 由上所述，我国已在激光冲击硬化的应用基础方面做了大量的研究，得到了比较明确的研究结果，现在问题的关键是要尽快推出具有合适性能价格比的LSP工业应用装备。 3　激光熔凝 3.1　激光快速熔凝条件下凝固规律的研究 许多研究表明，激光快速熔凝条件下，材料的凝固具有高温度梯度和高凝固速率的特点，传统的凝固理论不能完整地、确切地揭示此时材料凝固的规律。近年来国内外许多研究者做了大量工作。其中西北工业大学凝固技术国家重点实验室系统地开展了激光快速熔凝条件下的基础研究。在激光快速凝固微观组织形成原理[17]一文中介绍了激光快速凝固微观组织的界面温度选择原理，以及单相平面前沿、单相枝晶和平面共晶生长3种典型的界面响应函数及其在预言单相合金、共晶合金和包晶合金激光快速凝固微观组织中的应用。 3.2　不同基底材料上的激光熔覆 激光熔覆的基底材料大多采用廉价的普通碳钢和铸铁。近年来清华大学对铝合金作为基底材料的激光熔覆做了许多工作[18]：用送粉激光熔覆法在铝基体表面成功地获得了均匀致密的SiO2涂层和Al2O3-TiO2涂层。SiO2涂层厚度为10～30μm，Al2O3-TiO2涂层厚度可达100μm，涂层内部致密无缺陷，涂层与铝基体结合良好。重庆大学[19]对钛合金基底材料上用激光束合成与涂覆生物陶瓷涂层获得成功。中科院金属所[20]在Ni基高温合金基底上用NiCrBSi和NiCrAlY两种合金粉与ZrO2的混合粉进行激光熔覆，获得了不同结构热障涂层。 3.3　熔覆材料及陶瓷相的研究 激光熔覆材料最常用Ni基材料，Co基与Fe基也有使用。海军后勤学院[21]研究了在45钢表面制备Co-TiC-WC金属陶瓷复合层，硬度和耐磨性高。华中理工大学[22]在Q235(A3)钢表面制备Fe-WC金属陶瓷复合层，并研制了一种适用于激光熔覆的Cu基合金和SiCp的复合粉[23]。一方面兼顾Cu基合金的优良性能；另一方面，通过加入SiCp，改善组织，提高覆层的硬度和耐磨性。清华大学[24]提出：采用热喷涂合金粉末作为激光熔覆材料容易带来气孔和裂纹问题，研究了Fe-C-Si-B合金粉，可获得按介稳系结晶的组织，其细化程度比C-Si-B激光合金化有很大提高，添加少量CaF2可显著改善熔覆材料的工艺性能。在激光熔覆材料中添加稀土是许多研究者所关注的，中科院金属所[25]通过激光快速熔凝处理钢表面含稀土的涂层，研究了稀土在钢表层的加入量和对钢表层性能的影响。结果表明：激光熔凝处理含稀土的涂层可使较多的稀土加入钢表层，C-N-B-Ti＋RESiFe涂层激光处理后其表面稀土含量为0.35%，Ni-Cr-B-Si＋RESiFe涂层激光处理后其表面稀土含量为5.5%。加入表层的稀土在改性层中沿深度分布较为均匀，不存在明显的浓度梯度，表层组织均匀。稀土硅铁的加入使钢表层的耐磨性、抗氧化性等都有较明显的提高。 激光熔覆的陶瓷相以采用碳化物的工作较多，如TiC[26]和WC[27]等。有的研究工作采用氧化物，如Al2O3、TiO2和SiO2[18]等。中科院金属腐蚀所研究了硼化物作为陶瓷相[28]。 3.4　激光熔覆工艺的研究 激光熔覆工艺可以分成两类：一类是激光处理前供给添加材料；另一类是激光处理过程中供给添加材料。第一类主要用粉末预置法，可以用粘结、火焰喷涂和等离子喷涂等；第二类是自动送粉法。天津纺织工学院研制成功大面积自动涂覆系统[29]，适用激光功率1～10kW，可用于宽带涂覆，也可直接用于聚焦窄带涂覆。单道一次涂覆宽10～35mm(可调)，单道一次涂覆厚度0.2～8mm(可控)，送粉量0.5～200g／min(可调)，送粉精度＜2%。 3.5　激光熔凝形成非晶态 天津理工学院对Fe-B合金激光熔凝形成非晶态的机理进行探讨[30]，提出了一个简化的熔池中温度分布的物理模型，分析了非晶态形成过程，经试验得到了130μm～200μm厚度的非晶层。由于金属非晶的独特性能，用激光熔凝技术在金属零部件的局部表面制备一层非晶显然极具吸引力，许多单位正在努力研究和开发。 3.6　激光熔覆层的性能及其应用 (1)　耐磨　目前开展的大量激光熔覆工作，主要是在零部件的局部表面制备高耐磨的熔覆层[18，21～23，26，27]。 (2)　耐腐蚀　南京航空航天大学[31]在Q235钢表面激光熔覆C-N-B-Ti加稀土硅铁以及Ni-Cr-B-Si加稀土硅铁。结果表明：钢表层中的过饱和稀土除和氧、硫作用外，还可固溶于晶内、晶界或其附近，甚至能形成金属间化合物RE2Fe17；经过稀土和激光熔凝处理的表面具有较高的耐腐蚀性能。中南工学院[32]在耐酸不锈钢基体上激光熔覆Co基合金，得到的熔层与等离子焊层对比，激光熔层缺陷率低，成品率高。其组织细密均匀，晶粒细小，成分稀释率更小，对基体热影响小，熔层硬度与强韧性提高。性能试验表明，激光熔层具有更高的耐腐蚀性能。在石油化工阀门密封面奥氏体基体上激光熔覆Ni基合金[33]，能获得厚度达3.0mm和表面较平整光滑的合金层，可用于加工或修复，在组织和性能上均明显优于等离子喷焊工艺。 (3)　制备功能梯度材料　由于覆层和基体之间的性能差别很大，使用中往往容易界面失效。为此研制可以消除界面的功能梯度材料，使覆层的组成和性能沿厚度方向连续梯度变化。在探索激光熔覆陶瓷／金属梯度覆层时，最初采用叠层熔覆法，逐层改变混合粉中陶瓷颗粒的含量和粒度，经多层熔覆后，陶瓷颗粒在覆层中的分布规律呈台阶变化。此法沿用覆层和基体之间引入过渡层的思路，陶瓷颗粒在每一层中保持均匀分布，层与层之间的组织变化不连续，仍有界面问题。北京工业大学[34]采用激光一步涂覆法，利用激光熔池的流动和凝固行为，依靠TiC颗粒在熔池中不断长大和有规律运动，在激光束一次熔凝过程中自动实现涂层的连续梯度结构，成功地在钢基表面熔覆制备了TiCp／Ni自生梯度涂层。熔覆层的组织由TiC颗粒，γ-Ni枝状初晶及枝晶间共晶组成。从熔覆层底部到顶部，TiC颗粒呈现连续的梯度变化，即颗粒尺寸从0.8μm增长到4.5μm；体积含量从4%增加到33%；TiC颗粒的形貌也相应地从球形细小颗粒过渡到粗大的花瓣状粒子簇。TiC颗粒的快速长大主要来自颗粒的碰撞和粘结，凝固前沿对浮升速度相对较慢的TiC小颗粒优先捕获，是导致熔覆层梯度结构原位生成的决定因素。 (4)　制备复合生物工程材料　重庆大学[19]在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现激光合成与涂覆工艺制备生物陶瓷基础上[35]，又在比强度高、耐蚀性好、医疗用途更广的钛合金表面成功地实现激光束一步合成和涂覆含Ca5(PO4)3*(OH)羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层。该涂层具有优良的力学性能，也改善了植入材料弹性模量与生物硬组织的匹配性。研究发现，加入微量稀土(Y2O3)不仅有利于激光化学反应生成HA相，增强其结构稳定性，而且可细化组织，提高强韧性。 3.7　激光熔覆层的残余应力及开裂的原因与预防 采用激光熔覆技术可以获得耐磨损、耐腐蚀的涂层，有良好的经济效益和应用前景。但是激光熔覆层可能存在气孔和裂纹的缺陷，这是必须加以认真研究和解决的。 重庆大学[36]研究了球墨铸铁激光熔覆时出现的裂纹。把裂纹按产生的位置分成3类：熔凝层裂纹、界面基体裂纹和搭接区裂纹。其中界面基体裂纹最常见。裂纹的形成受力学因素、冶金因素尤其受基体材料的缺陷所影响。通过控制激光处理工艺和调整合金成分，制备含C、B、Si量较低的复合粉末；通过预先熔凝处理，细化基材表面晶粒；通过预涂覆处理等措施来降低涂层宏观裂纹率。华中理工大学[37]研究了激光熔覆组织和激光熔覆层热膨胀系数对开裂敏感性的影响。 大量的研究已经表明：激光熔凝层内存在拉应力，当局部应力超过材料的强度极限时就会产生裂纹。裂纹产生的部位往往在枝晶界、气孔、夹杂物等薄弱环节处。激光熔凝层的残余应力可通过设法提高熔凝层材料自身的塑变能力，降低它的耐软化温度得以一定程度的松弛，也可通过预热或后热予以减小甚至消除。当然设法减少覆层材料的缺陷也是降低开裂敏感性的有效途径。界面基体裂纹多产生于熔凝层与基体界面处、基材熔化区或热影响区内的缺陷处，如果该区域发生比容增大的马氏体相变则会加剧此类裂纹的生成，因此提高此区域材料的自身韧性，有效减少各种缺陷，不失为避免或减少此类开裂的有效途径。而铸铁类基材的激光熔覆则往往难以避免界面基体裂纹的产生。对搭接区裂纹目前研究得不多，看来在较高的激光入射功率条件下，通过光束处理技术及适当的工件运动，完成较大面积的均匀的激光熔覆是可能的。 4　激光合金化 早期的激光合金化工作[38，39]偏重于工艺参数、组织和性能的研究。在激光合金化层中，存在表面不平整和出现裂纹及气孔的两个重要问题，对此许多研究者做了大量的工作，提出了解决办法。近期我国的激光合金化工作，有两项值得注意的进展。一项是清华大学把激光合金化技术应用到实际产品上[40，41]；另一项是北京航空航天大学采用激光合金化工艺来强化新型高温结构材料——TiAl金属间化合物，提高其耐磨性[42]。清华大学结合沙漠车用F8L413F八缸风冷柴油机研制陶瓷挺柱的科技攻关，在45钢凸轮轴上成功地实现一种激光熔凝和激光合金化复合的表面强化新工艺[40]。采用自行研制的TH-2型共晶合金化涂料，在凸轮的桃尖部分进行激光合金化处理，使其硬度达到60～67HRC，合金化层深1.3～1.5mm；凸轮的其它部分进行激光快速熔凝处理，获得硬度55HRC，硬化层深0.8～1.0mm。凸轮强化表面平整均匀，无气孔和裂纹，实现了合理连续的组织与硬度搭配，凸轮轴处理后无需校直。发动机经500h台阶试验和沙漠车上5个月使用考核，表明激光强化的凸轮具有优异的耐磨性和抗疲劳性能。此外还为沙漠车用柴油机研制激光合金化的活塞环[41]：活塞环基材是球墨铸铁，在激光加热时，石墨气化形成气孔及裂纹。解决途径是采用自制TH-2，C-Si-B-RE共晶合金化涂料。由于熔池内的金属液形成FeCSi共晶或过共晶，具有很低的熔点和良好的流动性，有利于杂质和气体逸出；涂料中含有的微量稀土，在Fe-C合金液中有强烈的净化和除气作用。同时在TH-2共晶合金化涂料中添加WC、TiC陶瓷粉末，得到的组织是高硬度的WC、TiC质点弥散分布在细小、均匀、致密的共晶FeCSiB介稳基底上。结果活塞环的合金化层平均显微硬度达1200HV。这种活塞环和等离子喷涂陶瓷涂层缸套配对在摩擦学试验和模拟沙漠使用环境的发动机台架试验中显示出优异的耐磨性。 北京航空航天大学[42]采用激光气体合金化工艺方案，在TiAl金属间化合物的激光表面快速熔化过程中，强行向激光高温熔池中引入高纯氮气，“原位”地在合金表面制得以高硬度、高耐磨的氮化钛为增强相的表面改性层。试验结果表明激光气体合金化对提高TiAl金属间化合物的耐磨性是一种很有前途的表面改性新技术。此外，还与华中理工大学合作，用激光合金化生成TiC的方案来提高TiAl金属间化合物的耐磨性[43]：在TiAl金属间化合物表面均匀涂覆碳粉，用CO2激光进行激光表面合金化，制得了以硬质TiC为增强相的快速凝固“原位”复合材料表面改性层。激光表面改性层显微硬度和组织具有较明显的梯度渐变特征。清华大学近年来与法国焊接研究所合作[44]，研制大面积激光合金化层。用45kW　CO2激光器，在XC38碳钢上，对CSiB＋NiMoCo涂层进行激光合金化处理，获得了表面光洁、无氧化和无裂纹缺陷的大面积合金化层。合金化区的微观组织由马氏体、残留奥氏体和多元共晶所组成，其硬度为61～65HRC。 5　工程应用 激光热处理技术已在我国得到了一定规模的工业应用，成功的例子很多，举例如下。 5.1　激光毛化冷轧辊 为了生产冲压或深冲压用的优质毛面薄钢板，轧钢厂需要对工作轧辊表面进行毛化处理。以往轧辊毛化的方法是喷丸处理，但难以精确控制轧辊表面的形貌和粗糙度，为了解决这一问题，国内外均做了大量研究。中科院力学所研究成功轧辊激光毛化技术[45]。轧辊激光毛化技术又称激光织构化，出自于Texturing the Roughness of Work Rolls by Means of Laser Pulses[46]。 轧辊激光毛化技术可以精确控制所加工轧辊表面的形貌和粗糙度，轧制生产的激光毛面钢板具有优良的冲压成形性能和涂漆光亮度，其塑性变形能力有所改善，明显优于同材质的光面板和喷丸毛面板。激光毛化技术可以在毛化的同时，使激光作用区的材料获得超常硬度，给轧面带来超常的强韧化效果，延长轧辊使用寿命。轧制低碳钢板的激光辊寿命是普通辊的3～5倍；冷轧65Mn钢的激光辊寿命是普通辊的2～3倍；平整轧制低碳冲压用毛面板的激光辊寿命比普通辊的提高5～10倍。此外激光毛化加工也可改善轧辊使用性能，由于优化摩擦条件，轧制时不易打滑和粘连，轧制速度可提高一倍以上，消除板卷退火粘结现象，可进一步优化轧制参数，甚至可用激光辊实现异步轧制。通常大面积的激光处理采用连续扫描，由线及面地进行，此时存在扫描带重叠造成回火软带和扫描带不重叠所致表面各向异性的问题。为此，提出用脉冲激光离散熔凝处理代替激光连续扫描工艺。轧辊的激光毛化技术就是脉冲激光离散熔凝处理技术的成功的应用。 冷轧辊的激光毛化技术已在我国获得一定规模的工业应用。1990年3月中科院力学所在中国大恒、北京吉普汽车、首钢钢研所协作下，开展YAG激光毛化冷轧辊工艺攻关，至1992年6月研制成功第一台可用于带钢规模生产的YAG激光毛化冷轧辊实验装置。1992年8月开始用于秦皇岛龙腾精密带钢公司生产，1994年3套大、中、小型YAG激光毛化冷轧辊成套设备分别在天津市冷轧薄板厂、鞍山带钢厂、无锡远方带钢厂投产。仅一年时间，天津冷轧薄板厂近十万吨优质激光毛化板投放市场，使我国继比利时、日本、德国之后世界上第四个掌握激光毛化冷轧辊新技术并用于规模生产的国家。1995年华中理工大学、武钢、武汉重机合作研制成功CO2激光毛化冷轧辊装备并试轧了300t　CO2激光毛化钢板。上述成果说明了激光毛化技术和装备及其工业应用是我国激光热处理产业化进程中，产、学、研相结合获得巨大成功的一个突出例子，值得推广。 5.2　热轧辊的激光强化 广州富通公司是一家民营高科技企业，于1994年开始进行激光加工技术的应用开发工作，已开发成功GFT激光多功能加工机床[47]，用来对冶金大宗消耗件和其他各类机械零件进行激光表面改性和修复，1998年4月取得冶金工业部的鉴定证书。其中对热轧辊的处理取得如下效果： 轧辊名称 材质 处理前 处理后 表面硬度(HRC) 轧钢量／t 表面硬度HRC 轧钢量／t 寿命对比 650 70Mn2钢 25 900 57～60 1800 提高一倍 500 CrMo球铁 20 700 55 1300 提高80% 450 CrMo球铁 37 700 57 1100 提高55% 300 CrNiMo冷硬铸铁 　 1000 　 1500 提高50% 目前该企业主要产品GFT激光热处理机已进入新疆八钢和邯钢、莱钢、济钢、玉柴等大中型企业，市场前景良好。 5.3　汽缸体和缸套内壁的激光强化 汽缸体和缸套的激光强化是激光热处理技术在我国最早获得实际应用的实例。目前激光缸套的生产企业以西安内燃机配件厂为代表[48]，该厂1990年10月建成全国第一条缸套激光热处理生产线，至1998年底已建成24条激光热处理生产线，生产能力达到年产120万只激光缸套，耐磨性比普通缸套提高25%～30%以上，使缸套寿命从6000～8000h提高到10000h以上，同时具有优越的配副性和抗拉缸性能，还可配用任何材质的活塞环，与之相匹配的活塞环的寿命可提高30%～46%以上，并且可缩短初期磨合时间。而已在汽车修理行业获得广泛应用的激光强化装备以青岛中发激光技术有限公司的产品较多[49]，该公司已开发生产了5种型号的激光强化机，市场信誉良好。据统计，该公司产品已在国内近80家汽车大修厂、镗缸磨轴厂、缸套厂、大专院校和科研院所使用，取得明显的经济效益。 5.4　各种机械零部件局部表面的激光强化 上海工程技术大学在对球铁的激光热处理进行系统深入研究基础上与中国迅达电梯公司上海电梯厂紧密合作，研制成功电梯正弦轮V型槽面的激光强化技术[50]，经瑞士迅达电梯公司多次派专家进行质量评估，确认完全符合质量要求，自1991年以来，已将此工艺列入中国迅达公司的生产工艺，已累计产生直接经济效益超过1200万元，发展前景良好。 胜利油田钻井工艺研究院自1993年以来，为油田钻采作业解决了一系列关键零件的激光强化问题。已投入生产的零件有：①组合抽油泵缸套的激光淬火；②整筒泵泵筒(长7m，内径56～83mm)的激光淬火机床研制及激光处理工艺开发；③钻井、修井用的27／8″钻杆接头的激光强化；④高压柱塞泵柱塞的激光陶瓷合金化。 天津修船技术研究所1997年建成激光加工中心，已为船舶行业的压缩机缸体、船用发电机组大模数齿轮、船用主机大直径缸套、减速器齿轮进行激光强化，还成功地解决了食品机械大直径QT700-2曲轴主轴颈和偏心轴颈的激光强化工艺。 中科院沈阳金属腐蚀研究所在对某航空发动机叶片激光熔覆修复取得成功的基础上，把激光熔覆技术在航空发动机上的应用朝产业化方向发展。 清华大学激光加工研究中心近几年在以下项目取得较大进展：①激光共晶合金化—激光熔凝复合强化45钢风冷柴油机凸轮轴；②球墨铸铁活塞环的激光陶瓷合金化；③在FeCSiBRE系激光合金化基础上，开拓Fe-C合金表面激光非晶化；④轻型车凸轮轴螺旋齿轮的激光强化；⑤舰船主辅机关键零件的激光强化；⑥FeCSiB激光熔覆专用合金粉末开发等。 还有不少已取得重要突破的项目，例如中科院沈阳金属所的激光制备纳米新材料等，限于篇幅，不能在此详细列出。可以预期，随着我国经济建设的发展，尤其是制造业的发展，激光热处理技术及其装备的研究、开发将会得到更深入的发展及更大规模的工业应用。中国机械工程学会热处理学会高能密度热处理技术委员会自1984年12月在湖北十堰市成立以来，已召开了七届全国高能密度热处理学术年会，其中包括一届国际年会，对我国激光热处理的发展起了一定的促进作用，今后将继续在组织学术交流、技术培训、决策咨询、可行性研究和促进产、学、研结合等方面作出努力。 参考文献： [1]刘江龙，邹至荣．激光相变硬化机理〔C〕．全国高能密度热处理学术年会(86’)，1985，12． [2]陈传忠，于家洪，王世清．W18Cr4V高速钢激光相变硬化的组织及性能．山东工业大学，1992．10． [3]张光钧，戈大钫．激光提高铸铁缸套磨损寿命的研究〔J〕．应用激光，1998，18(6)． [4]李俊昌，谢瓦利埃R，兰热J．M．．激光热处理温度场及相变硬化带的快速计算〔J〕．中国激光，1997，A24(7)． [5]李俊昌，李行一，陈庆华，樊则宾，陈劲波．激光热处理中实际光束热作用的快速分析〔J〕．材料研究学报，1998，12(3)． [6]吴钢，石娟，戴忠森．激光淬火零件内部温度及硬化层深度的近似计算〔J〕．应用激光，1999，19(3)． [7]张光钧，张陈春，尚荣．激光热处理新型吸收涂层研制报告[R]．上海工程技术大学，1992．5． [8]胡乾午，吕卫文，刘顺洪等．磷化和胶体涂料在汽缸激光淬火中的对比试验〔J〕．金属热处理，1999(4)：37～38． [9]王华明，Bergmann　H．W．球铁激光表面重熔组织热处理制备新型铁基耐磨材料〔J〕．材料研究学报，1998，12(1)． [10]王存山，张宏，石岩等．18Cr2Ni4WA钢渗碳激光强化复合处理组织的研究〔J〕．金属热处理，1999(2)：14～16． [11]任乃飞，杨继昌，蔡兰等．激光冲击对金属材料机械性能的影响〔J〕．激光技术，1998，22(4)． [12]戴希敏，任乃飞，张永康等．激光冲击提高45钢疲劳寿命的研究〔J〕．应用激光，1998，18(6)． [13]杨晓，邹鸿承，戴蜀娟．激光冲击处理提高铝合金疲劳性能的机理研究〔J〕．应用激光，1998，18(4)． [14]杨晓，邹鸿承，戴蜀娟．激光冲击诱发相变的实验研究〔J〕．激光杂志，1998，19(3)． [15]戴蜀娟，刘富荣，杨晓等．激光冲击在LY12CZ中形成冲击波的研究〔J〕．激光技术，1997，21(6)． [16]张永康．激光冲击强化效果的直观判别与控制方法研究〔J〕．中国激光，1997，A24(5)． [17]黄卫东．激光快速凝固微观组织形成原理〔C〕．第四届全国激光加工学术会议论文集，北京：冶金工业出版社，1997． [18]李言祥，沈文．铝表面激光熔覆陶瓷原理和工艺的研究〔C〕．第四届全国激光加工学术会议论文集，北京：冶金工业出版社，1997． [19]张亚平，高家成，文静．钛合金表面激光熔凝一步制备复合生物陶瓷涂层〔J〕．材料研究学报，1998，12(4)． [20]陈国锋，冯钟潮，梁勇．激光熔覆制备热障复合涂层研究〔C〕．第四届全国激光加工学术会议论文集，北京：冶金工业出版社，1997． [21]刘志勤，张洪欣，王开富，郑克全．激光熔覆金属陶瓷复合合金层的组织与性能研究〔J〕．激光技术，1998，22(1)． [22]周二华，曾晓雁，吴新伟，朱蓓蒂．A3钢表面激光熔覆Fe-WC金属陶瓷复合层的研究〔J〕．激光技术，1997，21(1)． [23]盛亚明，宋武林，谢长生．激光熔覆Cu-SiC金属陶瓷复合层的研究〔C〕．第四届全国激光加工学术会议论文集，北京：冶金工业出版社，1997． [24]谭文，刘文今，贾俊红．激光熔覆Fe-C-Si-B的研究〔C〕．第七届全国激光热处理学术年会论文，1999． [25]冯钟潮，沈以赴，陈继志，梁勇．钢的稀土和激光复合表面改性〔C〕．第六届全国激光热处理学术年会论文集，1997． [26]武晓雷，陈光南．激光形成原位TiC颗粒增强涂层的组织及性能〔J〕．金属学报，1998，34(12)． [27]张光钧，戴建强，奚文龙等．用激光熔覆工艺在铁基粉末冶金的基底上制备WC-Ni涂层的研究〔C〕．第六届全国激光热处理学术年会论文集，1997． [28]杨松岚，王福会，冯钟潮，张炳春．激光熔覆Fe-Ti-B复相涂层的组织研究〔J〕．金属热处理，1999(3)：20～23． [29]杨洗陈．大面积激光自动涂覆系统及其工业应用〔C〕．第六届全国激光热处理学术年会论文集，1997． [30]相保和，曲长庆，吴晓国．Fe-B合金激光熔凝形成非晶态机理探讨〔J〕．光电子*激光，1998，9(4)． [31]沈以赴，余百运，冯钟潮，梁勇．稀土在激光熔覆涂层中的分布及其对腐蚀性能的影响〔J〕．材料研究学报，1998，12(5)． [32]石世宏，傅戈雁．不锈钢表面激光熔覆层耐腐蚀研究〔J〕．金属热处理，1999(3)：14～16． [33]石世宏，王新林．激光熔覆化工阀门密封面的实验研究〔J〕．激光技术，1998，22(6)． [34]裴宇韬．激光熔覆TiCp／Ni合金自生梯度涂层及其自生机制〔J〕．金属学报，1998，34(9)． [35]Zhang　Y　P．，Gao　J　Ch．Surf．＆　Coat．Tech．〔J〕．58(2)，125(1992)． [36]冯志刚，谭继福，韩子范，刘永刚．球墨铸铁激光涂覆裂纹研究〔C〕．第四届全国激光热处理年会论文，1992． [37]宋武林，朱蓓蒂，崔昆，曾晓雁．激光熔覆组织对其开裂敏感性的影响〔J〕．应用激光，1995，15(3)． [38]苏宝蓉．激光熔敷与合金化近况及其应用前景〔C〕．全国激光涂层科学与技术研讨会文集，1991． [39]张思王，郑克全．激光表面非金属元素合金化研究现状〔C〕．全国激光涂层科学与技术研讨会文集，1991． [40]刘文今，赵海云，钟敏霖等．45钢凸轮表面的激光熔凝—合金化复合强化新工艺〔C〕．第六届全国激光热处理学术年会论文集，1997． [41]刘文今，赵海云，钟敏霖等．高耐磨激光陶瓷合金化活塞环〔C〕．第六届全国激光热处理学术会议论文论，1997． [42]王华明，郭淑平，史岗．TiAl金属间化合物合金的激光气体合金化表面改性研究〔J〕．中国激光，1997，A24(11)． [43]何秀丽，王华明，郑启光等．TiAl金属间化合物碳元素激光表面合金化〔J〕．金属学报，1998，34(9)． [44]钟敏霖，刘文今．45kW　CO2激光器大面积CSiB＋NiMoCo合金化研究〔C〕．第七届全国激光热处理学术年会，1999． [45]陈光南．一种新的激光加工方法——轧辊激光毛化技术〔R〕．中科院力学所，1995．10． [46]Bragard A．，Crahay J．，Desmul W．(CRM-Sidmar)．“Texturing the Roughness of Work Rolls by menas of Laser Pulses：the Process of Tomorrow？”〔C〕．Advances in Cold Roling Technology，London，1985． [47]广州富通激光发展有限公司〔R〕．GFT型激光多功能加工机应用实例，1998．8． [48]西安内燃机配件厂〔R〕．激光热处理气缸套，1997．12． [49]李鲁伯．激光加工技术在汽车维修中的应用．中国汽车保修设备，1993．11． [50]张光钧，，奚文龙等．球墨铸铁的激光热处理工艺试验及其工业应用研究报告〔R〕．上海工程技术大学，1991．4．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/1/2005)