第28卷第3期
2007年6月热处理技术与装备
R E C H U L I J I S H UY UZ H U A N G B E I V o l .28,N o .3
J u n ,2007
收稿日期:2007-03-31
作者简介：张良界(1962-)，男，研究员，从事金属材料表面改性研究。 ·述 评·
张良界，潘邻，刘秀生，高万振氮化硅结合碳化硅制品
(武汉材料保护研究所，湖北武汉 430030)
摘 要：介绍了激光淬火，激光熔凝，激光表面合金化等材料表面改性技术及其组织和性能；综述了智能涂层的特点及研究进展。 关键词：激光淬火，激光熔凝，表面合金化，智能涂层
中图分类号: T G 156.99 T G 174.44 文献标识码:A 文章编号:1673-4971(2007)03-0004-07
L a s e r S u r f a c e H a r d e n i n g a n d P r o g r e s s o f I n t e l l i g e n t C o a t i n g s
Z H A N GL i a n g -j i e ,P A NL i n ,L I UX i u -s h e n g ,G A OW a n -z h e n
(W u h a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f M a t e r i a l s P r o t e c t i o n ,W u h a n H u b e i 430030,C h i n a )
A b s t r a c t :L a s e r q u e n c h i n g ,l a s e r c l a d d i n g a n d l a s e r s u r f a c e a l l o y i n g ,a s w e l l a s m i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r -t i e s w e r e p r e s e n t e d .T h e p r o p e r t i e s a n d r e s e a r c h p r o g r e s s o f i n t e l l i g e n t c o a t i n g w e r e r e v i e w e d .K e y w o r d s :l a s e r q u e n c h i n g ,l a s e r c l a d d i n g ,l a s e r s u r f a c e a l l o y i n g ,i n t e l l i g e n t c o a t i n g s
0 前言
随着现代工业的发展，人们对机械产品零件表面功能的要求越来越高。激光表面工程不仅可实现表面强化，同时也可根据设计要求进行表面合金化改性。同样，表面智能涂层也不仅仅限于提高材料防腐性，还能感知周围的环境和自身的变化，对所处环境或自身的改变作出迅速的响应。总之，改善材料表面性能，可有效延长使用寿命、强化使用功能、节约资源。对表面高性能的追求也推动着表面技术的不断发展。下面分别介绍激光表面强化及智能涂层的进展情况。1 激光表面淬火
激光表面淬火是激光表面强化领域中最成熟的技术。它是用高能激光束照射到工件表面，使表层温度迅速升高至相变点之上(低于熔点)，由于金属良好的导热性，当激光束移开后，通过工件快速的自激
冷却，实现材料的相变硬化。图1为5k W C O 2横
流激光加工系统。图2为对工件进行激光表面淬火。
图1 5k WC O 2
横流加工系统1.1 激光表面淬火的主要特点:
激光表面淬火时，材料被高速加热和高速冷却，加热速度可达104～109℃/s ；冷却速度大于104℃/s ；激光表面淬火件的硬度高，通常比常规淬
第3期张良界等：激光表面强化及智能涂层进展火高5%～10%，淬火组织细小，硬化层深度约为0.2～0.5m m ；由于加热和冷却速度快，热影响区小，对基材的性能及尺寸影响小；易于实现局部、非接触式处理，特别适于复杂精密零件的硬化加工；生产效率高，易实现自动化操作，无需冷却介质，对环境无污染
。
图2 激光表面淬火
1.2 激光表面淬火后的组织:
硬化区：板条马氏体(细小板条马氏体、针状马氏体+残余奥氏体、隐针马氏体)
过渡区：马氏体+细珠光体〔马氏体+屈氏体(调质态)、隐针马氏体+屈氏体+铁素体(退火态)、马氏体+屈氏体+渗碳体、马氏体+回火索氏体+珠光体、隐针马氏体+回火屈氏体+回火索氏体+合金碳化物〕
基体：珠光体+铁素体(珠光体+渗碳体、回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体)
铸铁材料：还有未溶的石墨带、球状石墨1.3 几种材料的相对耐磨性
竹筏船
几种材料经过激光淬火和其它方法处理后，激光淬火件的耐磨性明显提高，见表1。
表1 几种材料的相对耐磨性
材料工艺方法表面硬度/H R C 相对耐磨性对磨材料
G C r 15整体淬火601铸铁40C r
低温渗碳
54～560.98铸铁40C r 调质+激光淬火601.78铸铁18C r M n T i 离子渗氮581.5铸铁1.4 激光表面淬火的技术应用
激光表面淬火可用于汽车转向器壳体、精密异形导轨面、锭杆、内燃机车弹性联轴节主弹簧、模具、汽车凸轮轴、曲轴、活塞环、发动机缸体和缸套、齿轮、矿石磨辊等。2 激光熔凝
激光熔凝又称激光上釉。它是利用高能激光束在金属表面连续扫描，使表面薄层快速熔化，并在很高的温度梯度作用下，以105～107℃/s 的速度快速冷却、凝固，从而使材料表面产生特殊的微观组织结构。
2.1 激光熔凝的特点
较之于激光表面淬火，激光熔凝所需激光能量更高，冷速更快；熔凝层组织非常细小，从而提高了材料的综合机械性能；熔凝层中马氏体转变产生的压应力更大，提高了工件的抗疲劳、耐磨等性能；表面的裂纹和缺陷可以通过熔化过程焊合，表层成份偏析减少，形成高度过饱和固溶体等亚稳相乃至非晶相；熔凝层下为相变强化层，使强化层的总深度增加。
2.2 激光熔凝层组织特征
柱状-树枝状结构。熔化区的组织为细马氏体和残余奥氏体，马氏体形态由原始组织和含碳量决定，硬
度在500～1000H V 的范围内变化。2.3 激光熔凝技术的应用
充气模型铸铁是应用激光熔凝较多的材料之一，能有效地提高和改善材料表面的组织和性能。另外，激光熔凝技术还应用于许多铸造合金。如含粗颗粒初生硅(约60μm )的铸造铝硅合金，其基体为A L -S i 共晶，在适当的激光熔凝处理后，得到均匀分布在基体上的细硅粒(1～4μm )，材料硬度更高。
激光熔凝处理能使材料表面的碳化物熔解，组织细化，硬度提高，进而显著提高材料的耐磨性能。激光熔凝处理后晶粒细化，硬度提高，消除了微裂纹，提高了裂纹形成阻力，减少了裂纹扩展通道，提高了疲劳寿命。
2.4 H T 300试样磨损对比试验
从表2可看出，在经过几种方式处理后的磨损激光熔凝后的绝对磨损量最小。
·
5·
热处理技术与装备第28卷
表2 不同工艺处理后的磨损量
处理方式表面硬度/H V0.1试验时间/h绝对磨损体积/m m3
激冷处理表面感应淬火激光表面淬火激光熔凝处理543
悬空板664
713
959
4
4
4
4
1.346
1.012
0.795
0.617
3 激光表面合金化
激光表面合金化是利用高能激光束加热并熔化基体表层及添加元素，使之混合后迅速凝固，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。
激光合金化时能量密度达到104～108W/c m2，作用时间为0.1～10m s，熔池深度可达0.5～2.0 m m，相应的凝固速度达20m/s。
3.1 激光表面合金化的特点
能进行非接触式的局部处理，易于实现不规则的零件加工；能量利用率高；合金体系范围宽，性能调节幅度大；能准确控制各工艺参数，实现表面合金化层深度可控；热影响区小，工件变形小；通过获得表面高性能的合金化层实现整体性能的提高，经济效益显著。
3.2 激光表面合金化的工艺方式3.2.1 预置法：即先将合金化材料预涂覆于需强化部位，然后进行激光扫描熔化，以实现合金化。预涂覆可采用热喷涂、气相沉积粘结、电镀等多种工艺进行。
3.2.2 硬质粒子喷射法：采用惰性气体将合金化细粉直接喷射至激光扫描所形成的熔池，凝固后硬质相镶嵌在基材中，形成合金化层。
3.2.3 激光气相合金化：将能与基材金属反应形成强化相的气体(如氮气、渗碳气氛等)注入金属熔池中，并与基材元素反应，形成化合物合金层。如T i 及T i合金进行激光气体合金化，可形成T i N、T i C或T i(C,N)化合物。
3.3 硬度及耐磨性
低碳钢表面加S i C进行激光合金化，硬度可达1200H V。
20钢表面加N i基合金粉末进行激光表面合金化，硬度虽然不及C r W M n钢淬火，但耐磨性提高2.4倍；而在加入N i基粉末的同时加入W C，耐磨性可提高5倍以上。
对A l-S i合金，采用N i粉末进行激光表面合金化，生成A l3N i硬化相，硬度达300H V，而加入碳化物粒子，耐磨性可提高1倍。见表3。
表3 激光合金化后材料硬度
基体材料合金化材料硬度/H V基体材料合金化材料硬度/H V F e、45钢、B1500～2100铸铁F e T i、F
e C r、F e V、300～700 45钢、M o S2、C r、耐磨性提高304不锈钢T i C58H R C T10C r900～1000Z L101S i+M o S2210
F e、45钢、C r2O3、T i O2≤1080A l319N i C r N b B S i C1400
61850 mmsF e、
G C r15N i、M o、T i≤1650A l-S i合金N i
300
·
6·
第3期张良界等：激光表面强化及智能涂层进展
T i-6A l-4V合金加S i粉进行激光表面合金化，生成T i5S i3/T i耐磨复合材料涂层，硬度达800H V以上，耐磨性大幅度提高；对离子渗氮的T i-6A l-4V试样重新激光表面合金化，硬度从1050H V提高到1200H V。见图3，图4。
4 智能涂层的种类和主要特点
智能涂层是指以涂层的形式覆盖于目标物体上的具有智能材料特征的涂层。智能涂层是具有自选择或自适应功能的涂层，它具有自修复、自清洁、自润滑、抗菌、耐腐蚀、以及能够对酸碱度、温度或光线强度之类的变化作出反应等特性。因此，智能涂层可以定义为：是一种人造的、能对某一外部刺激，如温度、应力、应变或环境，有选择地提供(作出)最佳反应的涂层系统。
4.1 主要特点
1)具有“智能”的功能。即能对环境产生自适应的、选择性的、特殊的作用，或对环境变化作出较快的响应并实时改变自身以适应环境或避免自身失效以延长使用寿命。
2)以涂层的形式覆盖于目标物体表面，智能涂层的厚度大多在几纳米到几厘米之间。
3)以固体薄膜的形式稳定地存在于自身周围环境中，较难或不能被周围存在的水、油或其它液体溶解。
4)与周围环境接触的表面积比较大，能快速地对环境产生作用或者响应环境的改变。
5)智能涂层是一个新的学科交叉和集成。
4.2 智能涂层包括的研究内容
1)生物活性涂层(B i o a c t i v e c o a t i n g s)
抗菌聚合物涂层，颜料和添加剂、生物排污/探测涂层，光催化涂层和生物催化涂层,
防污涂层。
2)基于纳米技术的涂层(N a n o t e c h n o l o g y-b a s e d
c o a t i n g s)
自组装聚合物和涂层，光学涂层，超绝缘涂层，分子电子学涂层，导电聚合物及涂层。
3)刺激和响应涂层(S t i m u l u s a n d r e s p o n s e)
酱油桶
传感器功能涂层，热触发涂层，腐蚀、降解、缺陷传感涂层，变涂层，光传感器涂层。
4)自组装智能涂层(S e l f-a s s e m b l e di n t e l l i g e n t l a y e r s)
自修复和复原涂层，超疏水涂层，自润滑涂层，分子刷，有机/无机混合涂层，光学活性涂层。5 自润滑减流阻表面涂层
大多数水生脊椎动物具有微脊骨和微生长物(微小突起物)表面，具有这种表面纹路的动物在高雷诺数介质中游动时，边界层摩擦会减小。鲨鱼表皮沟槽状鳞片就是这种系统的一个例子，其尺寸范围在200μm至500μm之间。鳞片表面由几乎平行于鲨鱼轴线方向的平行沟槽组成，沟槽的外围是所谓小棱条。当用光滑体的模型和布满与鲨鱼表皮鳞片尺寸相似的沟槽模型来进行流阻试验，测量出在雷诺数为1.5×106时，沟槽模型上的流阻比光滑体模型上的流阻低5%～10%。
高雷诺数流体中减小摩擦的结构
海豚表皮示意性图
C G为真皮凹槽(阻尼层)
C P为真皮乳突(减流阻层)
人造的类似海豚表皮的覆盖层
C l为覆盖层;r l为软橡胶层;d f为阻尼流体;i l 为内层;B d为身体内坚硬底层
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热处理技术与装备第28
卷
图11 仿荷叶表面的S E M照片及其疏水效果
6 抗菌除污涂层
生物初级免疫系统给了人类相关的启示。生物种类的多样性，其生活周期的阶段性以及它们生活范围与生活环境的广泛性与多样性，决定了生物要面对种类繁多的微生物的挑战。许多生物在长期的进化过程中，发展出可分泌多样的抗菌肽以抵御各种微生物的侵袭。例如非洲爪蟾皮肤颗粒中就能分泌十多种抗菌肽以抵御外界环境中的微生物。
将银添加到无机或高分子涂层中，可以使涂层产生抗菌的功能，涂层表面可以释放A g+来杀死细菌。这种方法的一个缺点是涂层表面的银离子不断被水带走后，涂层释放A g+的能力降低，导致其抗菌效果渐趋下降。
T i O2具有特殊的光电化学性质，在光子的作用下，可以将A g+还原成A g，达到对A g+进行缓释的目的。研究发现，包裹T i O2的银颗粒，其抗菌效果优于单纯使用金属银者，与可溶性的A g N O3颗粒效果相当。这种A g+缓释方法对于我们制造功能持久的智能型抗菌涂层具有重要的借鉴意义。
利用纳米氧化钛(T i O2)在阳光或紫外灯照射下产生游离电子及空穴电子，从而产生有极强氧化作用的氢氧自由基的原理(光催化技术又称光触媒技术)，将纳米氧化钛催化剂复合到涂层中，可以制造出可吸收废气的涂层。氢氧自由基能氧化分解各种有机化合物和部分有机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质。利用这一原理可以分解和去除空气中的甲醛、苯及N H3、S O X、H2S及N O X等各
种污染物，并可以杀死空气中的细菌、病毒、真菌及植物花粉等。
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