激光表面合金化表面熔凝熔覆的區別

2024年3月29日發(作者：正方形的畫法)

激光表面合金化表面熔凝熔覆的區別

摘要:

激光表面合金化、激光熔凝和激光熔覆都是激光熔融處理技術，這三者之間既有區別，又有

一定的相同點。在使用過程中，我們要區分好它們之間的區別，以便我們正確地使用不同的技術來

實現工藝要求。

關鍵詞:

表面激光合金化熔凝熔覆 激光是由輻射受激發射產生的光，激光表面處理技術是采用激

光對材料表面進行改性的一種表面處理技術，是高能密度表面處理技術中的一種最主要的手段，它

具有傳統表面處理技術或其他高能密度表面處理技術不能或不易達到的特點。

激光表面處理技術工藝注意有激光相變硬化、激光熔融及激光表面沖擊三類。激光熔融又有激光

表面合金化、激光表面熔凝和激光表面熔覆等 用表面合金化的方法代替整體合金以節約金屬資源

一直是世界范圍內材料工作者的重要研究內容之一。激光表面合金化是一種既改變表層的物理狀態，

又改變其化學成分的激光表面處理技術。它是用激光束將金屬表面和外加合金元素一起熔化、混合

后，迅速凝固在金屬表面獲得物理狀態、組織結構和化學成分不同的新的合金層，從而提高表面層

的耐磨性、耐蝕性和高溫抗氧化性等。激光表面合金化的主要優點是：激光能使難以接近的和局部

的區域合金化；在快速處理中能有效地利用能量；利用激光的深聚焦，在不規則的零件上可得到均

勻的合金化深度；能準確地控制功率密度和控制加熱深度，從而減小形變。就經濟而言，可節約大

量昂貴的合金元素，減少對稀有元素的使用。 激光合金化組織結構的主要特征與激光熔凝處理有

相似之處，合金化區域具有細密的組織，成分近于均勻。激光表面合金化所采用的工藝形式有預置

法、硬質粒子噴射法和氣相合金化法。預置法是用沉積、電鍍、離子注入、刷涂、滲層重熔、氧-

乙炔和等離子噴涂、黏結劑涂覆等涂敷方法，將所要求的合金粉末事先涂敷在要合金化的材料表面，

然后用激光加熱熔化，在表面形成新的合金層。該法在一些鐵基表面進行合金化時普遍采用。硬質

粒子噴射法是在工件表面形成激光熔池的同時，從一噴嘴中吹入碳化物或氮化物等細粒，使粒子進

入熔池得到合金化層。激光氣體合金化法是一種在適當的氣氛中應用激光加熱熔化基體材料以獲得

合金化的方法，它主要用于軟基體材料表面，如Al，Ti及其合金。

激光表面合金化利用高功率激光處理的優點在于可以節約大量的具有戰略價值或貴重的元素，形

成具有特殊性能的非平衡相或非晶態、晶粒細化、提高合金元素的固溶度和改善鑄造零件的成分偏

析。

激光表面合金化的許多效果可以用快速加熱和隨后的急冷加以解釋。在激光加熱過程中，其表面

熔化層與它下面的基體之間存在著極大的溫度梯度。在激光作用下，其加熱速率和冷卻速率可以達

到105～109℃/s。通過快速加熱和快速冷卻導致了許多特殊的化學特征和顯微結構的變化，從而達

到改善材料表面性能的目的。

液態的不互溶性在激光合金化中可以被有益地用來制備特殊的薄膜材料，如Au-Ru合金。當液態

的Au接觸Ru表面時，熔融Au的能量不足以使Ru熔化，但在激光作用下可使Ru的表面微熔，其結果是

微量的Au在界面處于Ru混合，形成了結合牢固的薄膜材料。就薄膜制備技術而言，這是一種與蒸發

或濺射沉積方法不同的由液態急冷而形成的薄膜組織。這種組織增加了Au膜與Ru基體的附著性。激

光急冷的Au-Ru系材料現成為研制高功率激光所需的金屬鏡材料之一。

激光表面熔凝處理又叫上釉，是利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續掃描，使之迅速形

成一層非常薄的熔化層，并且利用基本的吸熱作用使熔池中的金屬液以106～108K/s的速度冷卻、凝

固，從而使金屬表面產生特殊的微觀組織機構的一種表面改性方法。在適當控制激光功率密度、掃

描速度和冷卻條件的情況下，材料表面經激光熔凝處理可以細化鑄造組織，減小偏析，形成高度過

飽和固溶體等亞穩定相乃至非晶體，因而可以提高表面的耐磨性、抗氧化性和抗腐蝕性能。

激光表面熔凝處理一般不需預覆激光吸收涂層，因為一旦表面熔化，吸收層將不復存在，因

而吸收層的材料將不可避免地進入熔融金屬中影響熔凝層成分；隨著材料溫度的升高一至熔化，表

面對激光的反射率下降，有較高的吸收率。表面激光熔凝主要對一下三方面處理處理：鑄鐵、工具

鋼和某些能形成非晶態的材料。前兩種材料通過處理以提高硬度，后者具有優良的抗腐蝕性能。根

據被處理的材料和工藝參數不同，激光熔凝處理后得到的組織有非晶體組織、固溶度增大的固溶體、

超細共晶組織和細樹枝晶組織。

激光熔凝的主要特點有：

（1） 表面熔化時一般不添加任何合金元素，熔凝層與材料基體是天然的冶金結合。

（2） 在激光熔凝過程中，可以排除雜質和氣體，同時急冷重結晶獲得的組織有較高的 硬度、耐磨

性和抗蝕性。

（3） 其熔層薄，熱作用區小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可以不再進行 后續磨光而

直接使用。

（4） 表面熔層深度遠大于激光非晶化。

激光熔凝原理與激光非晶化基本上相一致，即加熱和冷卻過程相關的基礎理論和實驗技術接近。

通常激光熔凝處理的特點是激光能量密度和掃描速度均遠小于激光非晶化。因為激光熔凝處理時，

其表面熔化深度大，有時可以mm為單位計量，并且熔體冷凝時，冷卻速度沒有激光非晶化的精度限

制。因而不要求超快速加熱和急冷。

激光熔凝層的組織取決于基體金屬的不同。Fe基、Ti基等可以發生固態相變的合金，其激光作用

區的熔凝組織由三層組成：表面熔化區、次層固態相變區、內層過渡區。不可以發生固態相變的合

金的熔凝組織則只是一層熔化區。迄今，對鑄鐵激光熔凝的研究和開發已做了較多工作。鑄鐵的種

類和激光熔凝工藝條件的不同，鑄鐵激光熔凝的組織及其相變的性質有很大的差異。 采用激光熔

凝處理后的工件，通常不再經后續磨光加工就可直接使用。因此，對激光熔凝處理后的表面形貌質

量有所要求。在激光熔凝處理時，熔化區形成的高溫度梯度，導致了在表層形成高的應力梯度和熔

體中的環流運動。例如，在鐵的熔體中環流的運動速度可達150mm/s。熔體內部壓力的變化需要相應

的補償。它由熔池表面的彎曲來給予，從而影響表面形貌。為了控制工件表面形貌和尺寸，應從以

下兩方面做工作。第一是選用最佳的激光熔凝參數和工藝方法。實驗表明，激光熔凝參數中，對表

面形貌的顯微起伏影響最大的是激光功率密度。對連續激光熔凝處理，其功率密度宜采用5*103～

5*104W/cm2。同時，為了得到最好的表面形貌，激光掃描速度應較低。這樣的激光參數，將使熔池

中的環流渦流分解成許多漩渦，使表面形成較小的彎曲。這樣處理的工件有表面形貌較好的綜合特

性：熔瘤高度小和不平度頂點半徑大。第二是工件設計加工時，由預留加工余量來補償激光熔凝使

表面原始顯微起伏的下降量。激光熔凝時，在熔池中加入能減小流體動力學的流體速度的專用添加

劑，可能是改善表面顯微起伏的途徑。例如，在鋼表面涂硫，其熔體運動方向與表面涂碳的運動方

向相反。顯然，同時添加硫和碳的混合物，可以在熔池中產生細小的渦流，從而改善激光熔凝表面

的顯微起伏。如果因激光熔凝工藝不當，造成工件表面形貌損壞，必須進行后續磨光加工的加工尺

寸與熔化層深度相當，否則將失去進行激光熔凝處理的意義。因為它不僅增加了工件制作的成本，

更重要的是失去了耐磨性能好的熔化層。 激光表面熔覆是使一種合金熔覆在基體材料表面，與激

光合金化不同的是要求基體對表層合金的稀釋度最小。通常將硬度高，以及良好抗磨、抗熱、抗腐

蝕和抗疲勞性能的材料選擇用作覆層材料。與傳統的熔覆工藝相比，它具有很多優點：合金層和基

體可以形成冶金結合，極大地提高熔覆層與底材的結合強度；由于加熱速度很快，涂層元素不易被

基體稀釋；由于熱變形較小，因而引起的零件的報廢率也很低。激光熔覆對于面積較小的局部處理

具有很大的優越性，對于磨損失效工件的修復也是一獨特的方法，有些用其他方法難以修復的工件，

如聚乙烯造粒模具，采用激光熔覆的方法可以恢復其使用性能。激光表面熔覆可以從跟不上改善工

件的表面性能，很少受基體處理的限制。這對于表面耐磨、耐蝕和抗疲勞性能都很差的鋁合金來說

意義尤為重要。使用激光進行陶瓷涂敷，可提高涂層質量，延長使用壽命。以激光束作為熱源在金

屬表面形成金屬膜，通過控制激光的工藝參數可精確控制膜的形成。激光氣相沉積可以在低級材料

上涂覆與基體完全不同的具有各種功能的金屬或陶瓷，其節約資源效果明顯，收到人們的關注。激

光表面熔覆工藝有預置法和氣動噴注法。前者是先把熔覆合金通過黏結、噴涂、電鍍、預置絲材或

板材等方法預置在將熔覆材料表面上，再用激光束將其熔覆；后者是在激光束照射基體材料表面產

生熔池的同時，用惰性氣體將涂層粉末直接噴到熔池內實現熔覆。由于預置法較易掌握，并且處理

后表面較為平滑，故應用較廣。 與常規的表面涂覆工藝相比較，激光涂覆具有的涂層成分幾乎不

受基體成分的干擾和影響，涂層厚度可以準確控制，涂層與基體的結合為冶金結合，十分牢固、稀

釋度小、加熱變形小、熱作用區也很小，整個過程很容易實現在線自動控制。 激光涂覆的目的在

于提高工件表面的耐蝕、耐磨、耐熱、減摩及其他特性。而涂層內基體材料的熔入多少所引起的涂

層成分變化的大小將直接影響到涂層的使用性能。因此，在激光涂覆技術中，存在稀釋度的概念。

所謂稀釋度是指熔化的基材混入使涂覆材料成分的變化率。用稀釋度這個概念可以定量地描述涂層

成分由于熔化的基體材料的混入而引起的成分變化程度。

激光涂覆時，要求其稀釋度盡可能低。一般認為其稀釋度應小于10%，最好在5%左右，以保證

獲得高性能的表面涂覆層。

激光表面合金化、激光熔凝和激光熔覆都是激光熔融處理技術，這三者之間既有區別，又有一

定的相同點。在使用過程中，我們要區分好它們之間的區別，以便我們正確地使用不同的技術來實

現工藝要求。

參考文獻: 《現代表面工程技術》姜銀方主編化學工業出版社 《表面科學與工程》高志潘紅

良主編華東理工大學出版社 《現代表面技術》錢苗根等主編機械工業出版社 《先進材料表面處理

和測試技術》劉勇等主編科學出版社