近年来纳米材料及其应用技术获得了引人注目的 发展。由纳米材料的小尺寸效应和表面效应, 已经发 现: 纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度比常规 粉体低很多, 由于颗粒小, 纳米微粒表面能高, 比表面 原子数多, 这些表面原子近邻配位不全, 活性大, 而且 纳米微粒体积远小于普通粒径材料, 因此纳米粒子熔 化时所增加的内能小得多, 这就使纳米微粒熔点急剧
颈, 而且纳米颗粒优异的性能有可能进一步改善激光 熔覆合金化层的服役性能。国内外文献资料及专利查 询结果表明, 目前, 激光熔覆纳米复合涂层的报道不多 见, 且主要集中于研究纳米粒子对复合涂层组织的影 响及耐磨性能或腐蚀性能的影响 [ 3- 6] , 尚未见激光熔 覆涂层中纳米抗裂的研究或应用的报道。
facturing, this paper summarized the deve lopm ent of laser surface engineering in the nano2surface engineering, refabricat2 ing, complex treatmen,t intelligent manufacturing and flexib le manu facturing, etc.
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5金属热处理 6 2006年第 31卷第 11期
综合作用所致。上述技术已申请国家发明专利 [ 829] , 其 发展趋势。
K ey w ords: laser surface mod ifying; nano2surface engineering; refabr icating; complex treatmen;t intelligent manufactur2
ing; flexible m anufacturing; excimer laser
1 激光表面改性的技术特点
解决的技术关键。 » 易与其它表面处理技术复合。激
激光表面改性是当前材料工程学科的重要方向之 一, 被誉为光加工时代的一个标志性技术, 各国 (尤其
光表面改性可以方便地与其它表面工程技术 结合起 来, 产生所谓第二代表面工程技术 ) ) ) 复合表面改性
是发达国家 )均予以重点发展。其高效率、高效益、高 技术。可以综合传统表面改性技术与激光表面改性的
激光束的能量可连续调整, 并且没有惯性, 配合数控系 统, 可以实现柔性加工。另外, 激光束的可控性好, 只 要采用光学的束操作技术来适当地引导激光束至工件
的不同部位, 就可以实现精确的可选择的材料局部表 面改性。可处理零件特定部位及其它方法难以处理的 部位, 以及表面有一定高度差的零件, 可进行灵活的局 部强化。 ¿ 无需真空条件, 即使在进行特殊的合金化 处理时, 也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元 素烧损。 À 易于实现信息化、智能化, 可以引入近代计 算机、机器人等高技术装备, 使激光束的产生及操纵信 息化、智能化。例如已推出的可实现复杂形状立体工 件的多种类表面工程的五轴联动激光柔性加工中心,
表面改性技术
激光表面改性的发展趋势
张光钧 1, 李 军 2, 李文戈 2
( 11 上海工程技术大学 激光工业技术研究所, 上海 201620; 21上海工程技术大学 材料工程学院, 上海 201620)
摘要: 从激光表面改性的技术特点及先进制造业的发展需求出发, 论述了激光表面改性在纳米表面工程、绿色再
下降。此外由于纳米结构材料中有大量界面, 这些界 面为原子提供了短程扩散途径, 因此纳米材料的固溶 扩散能力提高。增强的扩散能力产生的第一个结果是
涂 A l2 O3 /T iO2 涂层的相对磨损体积是激 光组装纳米 A l2O3 /T iO2涂层 的 11182 倍。分析研 究认为: 上述结 果是由于激光快速熔凝及纳米材料的 / 纳米效应 0的
制造、复合表面工程、智能制造及柔性加工等领域的发展趋势。
关键词: 激光表面改性; 纳米表面工程; 再制造; 复合处理; 智能制造; 柔性制造; 准分子激光 中图分类号: TG 156. 99; TG 115. 5 文献标识码: A 文章编号: 025426051( 2006) 1120001207
R esearch P rogress on L aser Sur face E ngin eer ing
本文作者领衔的科研团队在上海市纳米专项资助 下, 率先开展了激光熔覆陶瓷涂层的纳米抗裂研究, 已 分别在不锈钢基体上采用激光制备了 N i基纳米碳化 钨复合涂层及在铸铝表面采用激光制备了纳米 A l2O3 / T iO2涂层。研究结果表明 [ 7] : ¹ 在奥氏体不锈钢表面 采用 CO2激光制备的 N i基纳米 W C /Co复合涂层的显 微组织消除了孔隙及裂纹并与基底呈冶金结合。涂层 在原子力显微镜下可见含相当数量的粒度 [ 100 nm的 碳化钨颗粒。涂层结合强度比传统热喷涂及喷焊提高 了 171016倍及 11936 倍。相对耐磨性按 ASTMG99及 DIM50324标准进行测试, 在选定的磨损试验条件下, 传统喷焊 N i基 W C /Co涂层的相对磨损体积是激光组 装 N i基 ( NF )W C/Co涂层的 6147倍, 传统热喷涂 N i 基 W C /Co 涂层 的 相对 磨 损体 积 是 激光 组 装 N i 基 (NF )W C /Co涂层的 14147倍。尤其重要的是采用压 痕法首次对此涂层的断裂韧性 K c进行了测试与研究, 结果表明, 在本实验研究的激光涂覆工艺条件下, 激光 涂覆 N i基纳米 W C /Co复合涂层的 K c比常规喷焊 N i 基 W C /Co涂层的 K c提 高了约 112倍, 证实了在激光 熔覆纳米陶瓷复合涂层中的纳米抗裂作用。本项目相 关知识产权的发明专利申请, 已在 2005年 5月 23日 获国家知识产权局通知授权。发明专利名称: 激光熔 覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法, 发明专利申请 号: 2003 |0 | 08499x, 授权通知日期: 2005. 5. 23。 º 在铸铝 ZL104表面采用 CO2激光快速组装技术制备了消除裂 纹及孔隙的致密的含大量纳米 A l2 O3 /T iO2颗粒的陶瓷 涂层。涂层结合强度比传统热喷涂 A l2 O3 /T iO2涂层高 出 7126倍。相对耐磨性按 ASTMG99及 D IM50324标 准进行测试, 在选定的磨损试验条件下, 铸铝表面热喷
很高的机械化、自动化生产。 Á 激光器本身具有很大的 心, 细化一次结晶组织及改变凝固组织的形态等。由
发展潜力, 产生激光束的装置无论品种还是效率都有很 上述纳米材料的特征效应, 应该可以预见在激光熔覆
大的发展潜力, 例如工业激光装置已从常用的波长为 及合金化中添加适量的纳米材料有可能突破 开裂瓶
1016 Lm的 CO2激光器发展到输出波长更短 ( 1106 Lm) 的高功率 Nd: YAG激光器和当今电子工业及微电子工 业使用的半导体激光器以及和大部分材料都有很好耦 合的 308 nm波长的准分子 ( XeC l) 激光器。 CO2激光 器的输出功率也已从千瓦级发展到万瓦级甚至更高。 Â 激光是一种清洁的绿色能源, 生产效率高、加工质量 稳定可靠、成本低、经济效益和社会效益好。
点 [ 1] :
冷, 无需冷却介质, 而冷却特性优异。形成的表面强化
¹ 可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多 层硬度比常规方法处理的高 15% ~ 20% 左右, 添加合
种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。可大 幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的能力以及
金元素和特殊的工艺方法, 可显著提高工件的综合性 能。 ½ 激光束能量密度高, 对非激光照射部位几乎没
激光表面改性技术是将现 代物理学、化学、计算 机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知高性能表层改性, 达到零件低成本与工作表面 高性能的最佳结合, 为解决整体强化和其它表面强化 手段难以克服的矛盾带来了可能性, 对重要构件材质 与性能的选择匹配、设计、制造产生有利影响, 甚至可 能导致设计和制造工艺的某些根本性变革。
制备特殊的耐腐蚀功能表层。 º 强化层与零件本体形 成最佳的冶金结合, 解决许多传统表面强化技术难以
有影响, 即热影响区小, 工件热变形可由加工工艺控制 到较小的程度, 后续加工余量小。有些加工件经激光
处理后, 甚至可直接投入使用。 ¾ 由于是无接触加工,
作者简介: 张光 钧 ( 1945108) ), 男, 上 海人, 研究 员, 上海 工程 技术大学激光工业技 术研究所常务副所长, 校纳米技 术应用研 究中心主任, 中国机械工程学会热处理学 会高能密度 热处理技 术委员会主任, 本刊编委, 长期从事 激光表面 工程研究及 应用, 发表论文 48篇 (其中 9篇 被三大 著名引 文索引 数据库 收录 ), 获国 家发 明 专利 授 权 2项, 国家 实 用 新型 专 利授 权 3 项, 获 1994年及 2003年上海市科技 进步三等 奖各 1 项, 1999 年上海 市优秀产学研工程三等奖 1项, 2002年 上海市优秀发明选拔赛 一等奖 1项, 此外还曾 获上海 科学 院技术 进步 二等 奖 1项, 上 海科博会金奖、优秀奖各 1项。联系电话: 021267791205 基金项目: 上海 市科 技 发展 基金 项目 ( 05nm 05035); 上 海 市教 委高校培养优秀青年教师科研 专项基金 ( 05XPYQ165); 上海市 教委 / 曙光计划 0项目 ( 05SG55) 收稿日期: 2006207216
ZHANG Guang2jun1, LI Jun2, LIW en2ge2 ( 1. Laser Industria l Technology Research Inst itute, Shanghai Un iversity of Engineering Sc ience, Shanghai 201620, China; 2. School ofMateria ls Engineering, Shangha i Un iversity of Engineering Science, Shangha i 201620, Ch ina) Abstr act: According to the technology features of laser surface engineering and the market dem ands of advanced manu2