激光表面熔覆及合金化技術

一般鋼鐵材料在進行激光表面相變硬化時，其表層是熔化的，為了加深表層硬化層才使表層熔化。表層熔化時，可使合金元素溶入表層基體材料中，以提高表面耐磨蝕性、耐磨性和抗沖擊強度等。這種表面處理有表面合金化、表面涂覆、非晶化和快速熔凝等。

1 激光表面熔覆

激光表面熔覆（Laser Surface Cladding, LSC）是使金屬或合金粉粒在激光處理時完全溶化，同時盡量減少基體熔化，從而在基體表面形成一個主要由熔化粒子組成的涂覆層。涂覆材料可由水玻璃之類的粘合劑調好后涂上，也可使粉粒同氣體一起從噴嘴出涂在零件表面。自熔式合金粉末有泉基、鈷基、鐵基、銅基、碳化鎢型等。

與傳統的涂層技術相比，激光熔覆具有以下優點：1）冷卻速度快（高達106C/S），發生非平衡凝固，組織細小，固溶度增大，甚至產生亞穩相、超硬彌散相、非晶等。2）熱輸入小，畸變小，涂層稀釋度低，一般小于5%，與基體呈冶金結合。3）許多金屬和合金能夠熔覆到任何金屬和合金上，特別是能在低熔點金屬上熔覆高熔點合金。4）能進行選區熔覆，材料消耗少。5）激光光束瞄準，能夠使難以接近的區域熔覆。6）工藝過程易于實現自動化。

美國通用汽車公司在鋁氣缸蓋氣門座上用激光熔覆一層較硬的耐磨材料，省去了氣門座以及相關的氣門座壓入工序，氣缸蓋空間尺寸因此也增大，相關設計更合理，成本下降。

日本雅馬哈摩托車為了提高新鮮混合氣體的填充效率，在四沖程發動機上采用二進二排的四氣門機構后，又采用了三進二排的五氣門機構，結果功率提高了10%，燃油消耗降低了50%。這種的結果是省去氣門座，采用氣門座激光熔覆技術。使用該技術的雅馬達車型有TMD850、YZX750、EF750等。

Toyota公司也在鋁合金汽缸蓋上激光熔覆銅基合金復合材料，耐磨性得到了顯著地提高。Fiat最早開始開展激光熔覆閥座、閥柄、鋁合金汽缸體工業應用的試驗研究。

為減輕摩托車重量，國外已成功地使用增強鋁合金取代鐵子減油缸。其方法在鋁合金油缸內表面熔覆一層碳化硅陶瓷微粒，使其彌散到油缸內表面，形成一層堅硬的碳化硅離子增強鋁合金復合材料層。這種油缸具有極佳的耐溫、耐磨、耐沖擊等性能，能承受摩托車減振器極苛刻的往復運動負荷。而且重量減輕了2/3，使用壽命提高了3~5倍。

2 激光表面合金化

激光表面合金化是利用激光束使合金元素與基體金屬表面熔化、混合，在很短的時間（0.1~10S）內形成具有要求深度和化學成分的表面合金。激光合金化是局部改性處理的新方法，是未來工業應用潛力最大的表面改性技術之一，具有極大的技術經濟效益。常按合金元素的加入方式將其分為三大類，即預置式激光合金化，送粉式激光合金化和氣體激光合金化，激光合金化技術主要有以下特點：1）所需激光功率密度高（105W/cm2）。熔化深度由激光功率和照射時間來控制，在基體金屬表面可形成深為0.01~2mm的合金屬；2）大多數材料可在不同的基體上合金化，因此可根據零件耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等工作要求，配制表面合金成份；3）由于基體受熱影響壓力，所以零件的熱變形極小；4）形成的強化層是由合金化層和基體上受熱影響層組成，界面層為冶金結合，故結合力極強。

利用激光合金化技術可在一些表面性能差、價格便宜的金屬基本表面制出耐磨、耐蝕、耐高溫的表面合金，用以取代價格昂貴的整體合金，從而大幅度地降低成本。如在活塞環基體上用含有WC、TIC質點彌散分布在細小、均勻、致密的共晶FeCB介稅基底上，結果合金化層平均顯微硬度達1200HV。臺架試驗表明具有優異的耐磨性。