一、前言

以航空航天、新能源、轨道交通为代表的高端装备对使用部件的表面性能要求极高[1]，感应、喷涂、喷丸、滚压等常规表面强化手段已难以满足高性能装备的应用需求[2]。激光技术在改善金属材料的表面性能、突破传统改性技术应用约束等方面潜力突出[3]，被视为现代工业的“万能加工工具”“未来制造系统共同的加工手段”。激光表面改性技术利用激光的高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征，通过改变金属材料表面的组织结构和化学组成来对材料表面进行改性或合金化，进而达到改善材料表面性能的目的。在低成本材料表面制备低价格、高性能的表面涂层，对于重要零件材料及其性能的选择匹配与设计制造具有重要意义[4~7]。

作为一种表面工程普适性技术，激光表面改性技术面向我国制造业转型升级的重大需求，直接服务于重大装备高端部件的性能提升与国产化制造，具有广泛的适用范围和良好的应用前景。常规的激光表面改性技术有：激光淬火、激光退火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆、激光冲击强化、激光上釉、激光表面微结构化等。其中，以激光冲击强化、激光淬火、激光熔覆最为典型，在现代工业生产中发挥着重要作用。激光冲击强化技术具有非接触、无热影响区、可控性强、强化效果显著的优点[3~4]。经激光淬火后的材料，其表面强度比常规淬火提高5%~20%，淬火层深度可达1mm，因此激光淬火具有加热速度快、热影响区小、热变形小和可局部实施的优点[5]。激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好等优点[6]。

本文系统梳理激光冲击强化、激光淬火、激光熔覆等典型的激光表面改性技术国内外发展现状，结合产业应用需求剖析技术发展面临的问题，总结领域技术重点发展方向并提出后续发展建议，以期为我国激光表面改性技术研究提供参考借鉴。

二、激光表面改性技术的发展现状

（一）激光冲击强化技术

激光冲击强化技术在航空航天、船舶、汽车、石油化工、核工业和高端模具等装备制造领域获得了较多应用。据统计[8]，在航空航天和船舶领域，49%的燃气涡轮发动机构件损伤是由疲劳失效引起的，而叶片、机匣和传动部件是最容易发生疲劳断裂的零部件（见图1和图2）。激光冲击强化技术成为改善发动机关键零部件疲劳寿命的必要手段。

图1燃气涡轮发动机失效方式占比分布

图2燃气涡轮发动机部件对高周疲劳的敏感性占比分布

工业发达国家在早期纷纷开展了激光冲击强化技术的研究，目前美国仍是激光冲击强化技术发展最快、应用最成功的国家。美国在20世纪90年代后期提出的“高周疲劳科学与技术研究”计划，将激光冲击强化技术列为先进航空发动机的76项关键技术之一。年，美国金属改性公司（MIC）研制了移动式激光冲击强化设备以解决现场作业难题[1]。美国通用电气公司（GE）面向市场需求推出了用于大型薄壁件加工的激光冲击强化设备，广泛应用于发动机叶片/叶盘、机翼等结构件的表面强化。

20世纪90年代，国内开始了激光冲击强化方面的技术研究和应用探索。随着激光器技术的快速发展、相关理论的不断成熟，我国激光冲击强化技术的工程应用规模逐渐扩大。年第一条拥有自主知识产权的激光冲击强化生产线建成投产，中国成为世界上第二个取得该技术实际应用的国家[9]。年，中国科学院沈阳自动化研究所研制了我国第一台工业应用级整体叶盘激光冲击强化系统[10]。年，中国科学院宁波材料技术与工程研究所在随动式激光冲击强化技术方面取得突破，实现了对齿轮、机电腔体、刀具、微细结构等复杂零件的处理[11]。江苏大学在高端金属激光冲击梯度纳米结构形成机制、抗疲劳制造机理、典型结构冲击强化工艺和应用等方面完成了系列化研究[12]。

（二）激光淬火技术

激光淬火技术在工业发达国家的应用已经普遍化和成熟化。例如，诸多汽车制造商都建立了激光表面淬火生产线，通过激光表面改性来提高汽车零部件的耐磨性；采用激光淬火增加船用柴油机气缸套内壁的耐磨性，对重载大齿轮进行激光表面淬火处理来规避常规热处理工艺可能造成的大变形、高污染问题。

我国激光淬火技术应用起步于20世纪80年代，先期在汽车发动机气缸体、缸套等零部件方面开展应用；经过多年发展已拓展应用于航空航天、能源、石化、冶金等工业领域，对轴体类、套筒类、齿轮类、叶片类、模具等零件均取得良好的强化效果。采用较大光斑的激光束对65Mn弹簧钢表面进行淬火，硬化层深度约为0.3mm，硬化层硬度可达基体的4.2~5.4倍[13]。对卷取机卷筒主轴40CrNiMoA钢表面进行激光淬火，磨损量仅为基体的36.1%[14]。通过激光淬火对35CrMo合金结构钢回转轴截面突变处进行局部强化，表面残余压应力是未处理前的1.9倍[15]。针对钢轨在与高速运行轮对的摩擦配副过程中的损伤问题，华中科技大学、武汉新瑞达激光工程有限责任公司等单位开展了钢轨激光淬火强化技术研究，研制了国际上首台钢轨激光淬火强化工程车，获得正式定型并通过性能考核[16]。为了解决兆瓦级风力发电机的主轴轴承在极端环境（重载磨损、高冲击、高盐等）下的可靠服役问题，浙江工业大学发展了激光深层淬火技术，将激光淬火层深度提高到3.7mm，有效提高了零部件在复杂环境下的抗疲劳、抗磨损性能（见图3）[17]。

图3重载轴承的激光深层淬火

（三）激光熔覆技术

激光熔覆技术产生于20世纪70年代，美国AVCO公司率先开展汽车发动机易磨损零部件的表面强化应用。目前，相关技术在汽车、动力装备、轨道交通等领域得到广泛应用。日本、美国企业将激光增材再制造技术商业化，批量修复了军用飞机发动机的磨损失效零件，节约经费并提高了修复效率[18]。在汽车工业领域[19]，采用激光熔覆技术对汽车曲轴进行表面修复，获得了与曲轴表面结合紧密且性能良好的熔覆涂层。德国发展了超高速激光熔覆技术（EHLA），可在短时间内完成大面积涂层的快速制备，熔覆层厚度在0.1~0.25mm范围可调，生产速度比传统激光熔覆提高~倍，可取代电镀、热喷涂、堆焊等传统技术。

20世纪80年代以来，我国激光熔覆技术发展迅速，已经从实验室研究扩展到工程实际应用，如航空航天、动力装备、机械工业、石油化工、汽车等行业。机械科学研究总院集团有限公司、哈尔滨工业大学与国外机构进行联合研发，实现了超高速激光熔覆技术的工程应用[20]。西北工业大学开展了钛合金零件的激光修复研究，成功修复了航空零部件[21]。浙江工业大学将激光熔覆技术应用于汽轮机叶片强化和汽轮机转子修复[22]，对失效转子进行回收和再制造利用，延长转子使用寿命约2~3倍（见图4）。激光熔覆技术大量应用于机械工业中的轴承、曲轴、模具、螺杆、刀具等易损易耗零部件。例如，以激光熔覆技术对天然气净化厂汽轮机气缸变形位置进行现场修复，消除了气缸漏气现象[23]；在45钢曲轴连杆轴颈上激光熔覆铁基合金粉末，形成相当于基体2~3倍硬度的熔覆层，解决了曲轴轴颈易出现裂纹和过度磨损的问题[24]。

图4经激光表面强化后的汽轮机叶片

三、我国激光表面改性技术面临的问题

（一）基础理论研究不够深入

我国激光表面改性技术的研究历程相对较短，加之重应用、轻机理，使得这一方向的基础知识和理论研究不够深入透彻，如基于远平衡态的激光与材料表面相互作用的材料物理冶金机制、晶粒生长机制及缺陷形成机制等。

在专用熔覆材料方面，目前多数应用仍然沿用热喷涂粉末。由于热喷涂与激光束作用是两种完全不同的物理冶金过程，相关材料实际上不适用于激光表面强化与再制造，由此带来的气孔、开裂现象难以避免。

（二）装备核心部件国产化程度不高

目前，国内在高质量激光表面改性方面所采用的激光器多为进口产品，主要是进口激光器的工作可靠性和稳定性更好。一方面，进口产品的采购周期较长，往往对国内相关技术的发展和研究产生较大的影响；另一方面，激光芯片、激光器、激光头、控制软件等核心部件国产化水平相对较低，产业发展受制于人的现象没有消除。

面向未来，激光表面改性将成为主流的制造技术，智能化、极端化和高性能化是发展趋势。突破高效率、高质量激光发生器的国产化研制难题，构建激光表面改性专用装备集成技术体系，加强批量生产能力并实现产品化发展，将是支撑我国制造业高质量发展的重要挑战之一。

（三）应用市场规范化与技术标准化存在差距

国内激光表面改性技术的应用仍处于“小而散”的状态，在企业规模、研发投入、产品成熟度、市场开发、材料研发等多个方面都与国外存在不小差距。

1.技术热点

国外较多

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/4861.html