【激光表面合金化技术发展中的问题】
1964年F．E．Cunningham首先采用红宝石激光器开发了激光合金化技术。从此，伴随着激光器件的性能完善和大功率激光器的开发，激光合金化技术得到了迅速发展。在中国，激光表面合金化的研究工作十分活跃。激光表面合金化的研究不仅涉及到工业纯铁、结构钢、工具钢、轴承钢、模具钢及不锈钢等钢铁材料，而且还涉及到Al、Ti、Ni、Cu、Mg及其合金等有色金属材料。已研究的添加元素或强化材料可以归纳成3大类：以渗C、渗B为代表的非金属元素的合金化；以渗Cr、渗Ni为代表的金属元素的合金化；以WC、TiC为代表的金属化合物强化。从理论上讲，激光表面合金化技术为材料获得局部表层区域所要求的各种良好机械性能提供了手段。但这项技术真正应用于工业生产，尚有许多问题有待解决。主要有两大类问题：(1)价格与成本，即经济上的竞争力；(2)技术本身的缺陷，即技术上的可行性。正是这些问题使得激光表面合金化技术的工业应用研究一直徘徊不前。为找到克服这些问题的方法，必须首先弄清问题的关键所在。
1．激光大面积表面合金化。由于受激光光束本身的尺寸限制，对2kW左右的CO2激光器而言，用于激光合金化的最大光斑直径为5．0mm(
)，即使采用5kW激光器，其最大光斑直径也只有8．0mm。对于连续激光，为了达到大面积合金化的目的，必然要利用多次搭接技术或大面积光斑技术(散焦法、宽带法及转镜法)。对于多次搭接技术而言，在每两个相邻扫描带的结合处，即搭接处存在一个ABCD区域，由于激光的第二次扫描是在第一次扫描的基础上进行的，所以ABCD区域既是第一道激光的作用区，也是第二道激光的作用区。显然，这一区域的组织及其性能不同于正常合金化区的组织和性能。多道搭接区的显微硬度值是波动的，取决于具体的工艺条件，它可能等于、大于或小于合金化区的显微硬度。在PCrNi3钢表面激光Cr合金化的结果证实了这一点(曾晓雁，1989)。激光处理时，由于光斑尺寸的限制，在扫描带的搭接处不可避免地出现二次加热效应，从而引起材料表面的显微硬度不均匀(马咸尧，1989)。从金相组织上看，搭接式激光合金化的组织在整体上表现为一种宏观的呈周期性出现的鳞片状组织。显然这是因为后一次激光作用时，对前一次激光合金化区产生部分重新加热的作用。最近的研究表明，搭接区具有较特殊的组织特征，该区内的组织形态比较复杂(顾项涛，1990)。鳞片状组织的周期性变化必然使激光合金化区的性能也有相应的变化。一般地说，耐磨件对于这种效应也许不十分敏感，但对于耐蚀件、耐热件及抗疲劳件则对组织的均匀性或均质性有严格的要求。鳞片状组织的薄弱处(搭接处)在工件服役过程中很容易导致其失效。例如在45钢表面进行激光不锈钢合金化处理时，在合金化带的搭接处，由于激光二次加热作用，极可能使Cr的碳化物析出，从而直接影响到整个不锈钢表面的耐蚀特性。对于大面积光斑技术，当激光输出功率一定时，光斑面积越大，其功率密度越低。光束直径的增大将使激光功率密度以平方的关系下降，这可能削弱激光的高能密度和超快速加热的优势。对于激光合金化，为了保持激光的高能密度和超快速加热特征，当激光输出功率为2kW时，光斑的最大理论面积只能为20mm2；当激光输出功率为5kW时，光斑的最大理论面积只能为50mm2。当用大面积光斑技术使激光光束由圆形变换成矩形时，从表面上看，似乎激光束的一次扫描面积增大了一些，但实际上显著地降低了激光的扫描速度。一般地说，采用大面积光斑技术多是追求b值增大，而且b值越大越好。但由于光束的光学特性及光学元件的加工精度的局限，必然使激光光斑的a方面的实际尺寸大于其理论尺寸，这就导致了激光作用的功率密度下降。由此看来，大面积光斑技术的应用也是有局限性的，并非b值越大越好，必须考虑到a值和b值的综合效应。2．激光合金化的裂纹与开裂。在激光与金属表层发生交互作用时，金属表层的温度急剧增高，然后通过其基体的作用骤冷至室温。在这个过程中，激光可能使材料表面发生成分变化，导致表层开裂(宏观裂纹)或微观裂纹。CaфоHOB(1984)曾专门研究了激光合金化工艺参数对裂纹形成规律的影响。A．H．ГрeεeB(1986)则研究了合金成分对裂纹形成的影响。在研究低碳钢(C0．1%wt)表面激光时，叶宏(1991)较为系统地研究了铸铁表面激光合金化的裂纹形成过程。激光合金化的开裂(实质上是裂纹扩展的结果)和裂纹的形成机理在于表面的金化层与基体材料间存在热膨胀系数、弹性变量及导热系数等物理性能间的较大差值，在激光的快速加热作用下，其温度梯度很大，以致最终导致裂纹的形成和长大。众所周知，合金化表层的αE值与基体材料的aE值之差是产生热应力的主要原因。两者之差越大，热应力值越大，另一方面，导热系数λ决定了在冷却过程中温度梯度的大小。λ增大，温度梯度减小，当合金化表层的λ与基体材料的λ差别较大时，则在过渡区出现温度梯度的突变，这为裂纹的形成提供了条件。虽然可以采用调整激光合金化的工艺参数、预热及调整合金成分等方法来防止激光合金化的裂纹，但是这些方法并非均行之有效，当基体金属与合金化层金属的αE及λ等物理参数的差异较小时，上述方法可在一定程度上抑止合金化表层的开裂或裂纹的形成。反之，当两者的αE、λ之差值较大时，上述措施也无能为力，因为激光的快速加热特征正是产生裂纹形核与扩展的根本原因之一。3．激光合金化的组织不均匀性。主要包括3个方面：激光合金化熔池内的组织不均匀性，在其横截面内出现组织梯度；激光合金化熔池内的宏观组织不均匀性；大面积合金化的搭接区出现的激光二次加热作用组织。这种组织随搭接次数的增加呈现一种周期性变化。所谓激光合金化区的组织梯度是指在激光合金化的同一熔池内，由于合金熔池的整个截面内存在温度梯度和晶体长大速度的变化，则使最终的激光合金化组织并非为一种单一的凝固组织，而表现为一种复合性的凝固组织，即沿合金熔池的深度方向，出现不同的凝固组织区域，也就是存在组织梯度。激光合金化的常见复合组织特片有3种(刘江龙，1991)：(1)平面晶→胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶；(2)胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶；(3)胞状树枝晶→树枝晶。激光合金化的宏观组织不均匀性，已有较多的研究，在激光合金化之后，可以发现在某些情况下其低倍宏观组织是不均匀的。在光学显微镜下，其特征为有规律的或无规律的黑白相间的组织共存。F．Ferraro，G．Coquerlle和V．M．Weerasinghe等人的研究结果证实了这一点。从物理冶金学的角度看，宏观组织的不均匀性源于熔池内宏观成分的不均匀性。O．M．Haxthh(1988)在20Cr13钢表面激光Si合金化的实验结果清楚地证明了这一点。刘江龙最近对此进行了系统研究。在低合金灰铸铁基体上分别用激光进行Ni-Cr-Si和Si合金化处理，然后用能谱议进行成份分析。对于Ni-Cr-Si合金化层，其Si、Cr、Fe、Ni元素的相对波动分别为63．23%、47．82%、112．59%、60．15%(共12个分析点)。对于Si合金化层，其Si、Cr、Mn、Fe、Mo元素的相对波动分别为37．34%、33．20%、21．84%、2．00%、73．14%(共8个分析点)。由此可见组织不均匀性的形成原因。从本质上讲，形成激光合金化的宏观组织不均匀性的主要原因在于激光作用下的合金熔池内的熔体对流运动并非能完全使合金元素在熔池内均匀混合，其均匀混合程度受到激光合金化工艺参数、合金熔体特性参数及其流体力学特性的综合控制。激光合金化的这种组织不均匀性究竟对表面合金的各种使用性能，特别是耐蚀性、耐热性及抗疲劳性等有何影响，目前限于激光合金化的应用基础研究的深度和实验设备的局限性，尚无专门从事这方面的研究。从激光合金化技术的工业应用出发，这是一个潜在问题。4．合金粉末的选择性。用于激光合金化的合金元素及其化合物有广泛的选择范围。这主要是因为这些合金化材料在高能激光束的作用下，很容易进入激光合金化区。但对于激光合金化技术的工业应用而言，选择多种材料不一定可行和合理。根据激光合金化的目的，在选择合金粉末时，除了考虑必需的性能外，必须考虑在激光作用下这些合化材料在进入金属表层时的行为及与金属基熔体的相互作用特征，以保证获得满意的合化效果。实际上，激光合金化的合金粉末的选择只考虑到所需的表面性能，还必然涉及合金粉末对合金化区的表观质量和内在质量的影响粉末的利用率、粉末的来源及其价格等方面。因而，激光合金化的合金粉末的选择是有限的。(重庆大学刘江龙撰)