激光表面合金化的研究进展及其应用
激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展
第53卷第1期表面技术2024年1月SURFACE TECHNOLOGY·15·激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展竺俊杰1，王优强1,2*，倪陈兵1,2，王雪兆1，刘德建1，房玉鑫1，李梦杰1（1.青岛理工大学，山东 青岛 266520；2.工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东 青岛 266520）摘要：激光选区熔化（SLM）技术与激光熔化沉积（LMD）技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力，但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题，影响了构件的力学性能，从而制约了其大规模的应用。
针对这一现状，首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理，比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点，并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。
其次，从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手，综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响，以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。
发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构，从而影响成形件的组织与力学性能。
此外，综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响，可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异，同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。
最后，探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响，通过合适的热处理能够降低成形构件应力，并调控组织相变和性能。
关键词：激光选区熔化；激光熔化沉积；钛合金；微观组织；力学性能；热处理中图分类号：TG146.23 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)01-0015-18DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.01.002Research Progress on Microstructure and Mechanical Propertiesof Titanium Alloy by Laser Additive ManufacturingZHU Junjie1, WANG Youqiang1,2*, NI Chenbing1,2, WANG Xuezhao1,LIU Dejian1, FANG Yuxin1, LI Mengjie1(1. Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520, China;2. Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control, Shandong Qingdao 266520, China)ABSTRACT: Selective laser melting (SLM) technology and laser melting deposition (LMD) technology are becoming收稿日期：2022-11-30；修订日期：2023-06-15Received：2022-11-30；Revised：2023-06-15基金项目：山东省自然科学基金（ZR2021ME063）Fund：The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME063)引文格式：竺俊杰, 王优强, 倪陈兵, 等. 激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(1): 15-32.ZHU Junjie, WANG Youqiang, NI Chenbing, et al. Research Progress on Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Alloy by Laser Additive Manufacturing[J]. Surface Technology, 2024, 53(1): 15-32.*通信作者（Corresponding author）·16·表面技术 2024年1月increasingly close to the properties of manufactured titanium alloys and forgings, which have great potential for applications in aerospace, biomedical and other fields. However, the poor surface quality, large residual stresses and the presence of internal holes in the formed Ti6Al4V alloy components affect the mechanical properties of the components, thus limiting their large-scale application. To address this situation, this work firstly outlined the manufacturing principles of selective laser melting and laser melting deposition, compared the forming parameters and characteristics of the two additive manufacturing technologies, and analyzed the advantages and applications of the two different forming technologies. Since the selective laser melting technique could adjust the thickness of the laying powder, a smaller laser spot diameter was chosen to improve the surface quality and dimensional accuracy of the formed components. The laser melting and deposition technology adopted coaxial powder feeding for faster processing and was more suitable for manufacturing medium to large metal parts.Secondly, the effects of laser power, scanning speed, laser scanning pitch, powder thickness and powder bed temperature on the forming of titanium alloys by SLM process and the effects of laser power, scanning speed and powder feeding rate on the forming of titanium alloys by LMD process were reviewed from the forming process parameters of the two additive manufacturing technologies, revealing the intrinsic effects of forming parameters, microstructure and mechanical properties in the additive manufacturing process. The direct parameters of the forming process were found to affect the degree of powder melting, fusion quality and forming microstructure, thus affecting the organization and mechanical properties of the formed parts. The effect of laser power and scanning speed on the forming process was more obvious than other factors, and there was a greater correlation between them, and a combination of lower laser power and higher scanning speed could be adopted to obtain specimens with higher microhardness. In addition, the effects of different scanning strategies on the surface quality and mechanical properties of titanium alloys formed by the two additive manufacturing techniques were reviewed, and it was found that the surface quality, residual stress and tensile strength of different regions of the same specimen surface under different scanning strategies differed significantly, and anisotropy existed between different surfaces of the specimen under the same scanning strategy. Finally, the effects of different heat treatment processes on the microstructure and mechanical properties of titanium alloys were investigated, and suitable heat treatments could reduce the stresses and regulate the phase changes and properties of formed components. Two heat treatments, annealing and solution aging, can be combined to balance the strength and plasticity of the component. To summarize the research development of these two additive manufacturing technologies, it is necessary to accelerate the establishment of a complete system of methods under the forming process and forming environment, and to promote the research on the mechanism of microstructure evolution and macro mechanical properties influence.KEY WORDS: selective laser melting; laser melting deposition; titanium alloy; microstructure; mechanical properties; heat treatment由于钛合金有着比强度较高、生物相容性较好以及耐腐蚀性能好的优势，因此在全球范围内广泛应用于生物医疗与航空领域[1-2]。
(完整版)激光表面改性技术
1.什么是激光表面改性技术？
一般原理 激光与材料表面相互作用过程
一般原理
激光表面改性技术是采用高功率密度的激光器，利用光学 聚焦透镜将激光束聚焦，从而获得很高的激光功率密度和温度。 以非接触的方式，照射到材料表面，使金属材料表面在瞬间 （毫秒甚至微秒级）被加热或熔化后，借助于材料表面自身传 导快速冷却。在激光束与材料表面相互作用的过程中，通过热 效应及化学反应等方式，改变材料表面的组织结构、物理性能、 化学成分、应力状态等，从而改善材料表面性能（如耐磨性、 耐腐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等）的工艺方法。
b 优点： ①一般不添加合金元素。 ②熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。 ③在熔凝过程中，可以排除杂质和气体。 ④同时极冷重结晶获得的组织具有较高的硬度、
耐磨性、抗蚀性
c 用
a 原理：指利用高能量密度、短脉冲激光扫描材料表面，由 于材料吸热后升华气化而急速膨胀甚至等离子体化，并引 起爆炸波以及在表面产生冲击波，从而使材料表面强化的 技术。在激光与材料相互作用的过程中，由于高压冲击应 力波的产生，使材料表面产生塑性变形，形成大量的高密 度位错和残余压力，从而可大幅度提高材料表面的硬度和 抗疲劳性。
效率加工。 ③ 激光表面处理技术改性机理还不完善，温度场的测定还
不够精确，激光表面处理加工过程中的热应力、热应变和 加工后的残留应力问题没有很好理论解释。 ④激光表面处理工艺参数、材料性能 以及表面状况（如吸 光率）等处理后表层性能的影响研究不完善。 ⑤ 设备昂贵，一次性投入高。
（2）前景
① 利用激光表面处理技术，在一些表面性能差和价 格便宜的基体金属表面获得合金层，用以取代昂 贵的整体合金，节约贵金属和材料，使廉价材料 获得应用，从而大幅度降低成本。
总之：激光表面改性技术在改善和强化材料表面性 能，提高材料的使用寿命方面具有突出的优越性。
激光技术在材料加工中的应用
激光技术在材料加工中的应用在现代制造业中，材料加工技术的不断创新和发展是推动产业进步的关键因素之一。
其中，激光技术以其独特的优势，在材料加工领域发挥着日益重要的作用。
激光技术的原理是基于光的受激辐射。
通过特定的装置，将电能或其他形式的能量转化为高强度的激光束。
这种激光束具有高能量密度、高方向性、高单色性等特点，使其在材料加工中具备了诸多独特的应用优势。
首先，激光切割是激光技术在材料加工中的常见应用之一。
相较于传统的切割方法，如机械切割、火焰切割等，激光切割具有更高的精度和更小的切割缝宽。
无论是金属材料如不锈钢、铝、铜，还是非金属材料如塑料、橡胶、木材等，激光切割都能轻松应对。
在汽车制造、航空航天、电子设备等领域，对零部件的精度和质量要求极高，激光切割技术能够满足这些严格的要求。
例如，汽车车身的复杂轮廓切割，航空发动机叶片的精细加工，都离不开激光切割技术的支持。
激光焊接也是激光技术在材料加工领域的重要应用。
激光焊接能够实现高速、高精度的焊接，焊缝强度高、热影响区小。
在汽车工业中，激光焊接被广泛应用于车身结构的焊接，提高了车身的强度和密封性。
在电子设备制造中，微型电子元件的焊接也常采用激光焊接技术，确保了焊接质量和可靠性。
激光打标是另一个常见的应用场景。
利用激光的高能量，可以在各种材料表面进行永久性的标记，如生产日期、批次号、商标等。
与传统的打标方法相比，激光打标具有标记清晰、耐磨、不易篡改等优点。
在医疗器械、珠宝首饰、电子产品等行业，激光打标技术得到了广泛的应用。
激光表面处理也是激光技术在材料加工中的重要应用方向。
通过激光的作用，可以对材料表面进行淬火、熔覆、合金化等处理，改善材料表面的性能，如硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。
在机械制造行业，对零部件的表面进行激光处理，可以延长其使用寿命，提高工作效率。
在激光技术的实际应用中，其加工参数的选择对于加工效果至关重要。
激光功率、脉冲宽度、频率、扫描速度等参数的合理搭配，需要根据具体的材料和加工要求进行优化。
钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的研究现状_李嘉宁
作者简介：李嘉宁（１９８２－），男，山东大学博士研究生，主要从事先进材料表面激光强化研究。
山东大学材料科学与工程学院李嘉宁陈传忠［摘要］［关键词］钛合金表面涂覆具有优异的物理化学性能，在航空航天领域被广泛应用，但钛合金的低硬度和低耐磨性能使它的应用受到了限制。
激光熔覆因为其熔覆层与基体结合紧密、无污染等优点成为钛合金表面改性研究的热点之一。
本文通过对国内外钛合金激光熔覆技术研究现状的综述，阐述了在钛合金表面激光熔覆的抗氧化涂层、耐腐蚀涂层、激光耐磨涂层、激光生物涂层等方面的研究进展，介绍了激光熔覆的熔覆材料、工艺及参数对激光熔覆层的影响。
激光熔覆；钛合金；陶瓷涂层钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的研究现状引言钛合金具有高比强、高比模量和优异耐蚀性等特点，广泛应用于航空航天等领域，在生物医药等方面也有着其他材料无法比拟的特点。
但钛合金的表面耐磨性差，大大地限制了其潜能的发挥。
钛合金表面的激光熔覆始于２０世纪８０年代，最先采用的熔覆层材料是Ｎｉ基、Ｃｏ基、Ｆｅ基自熔合金，出发点主要是为了提高钛合金表面的耐磨性、耐蚀性和耐热性能。
这几种自熔合金与钛基体都具有良好的湿润性，易获得稀释率低且与钛合金基体冶金结合的致密涂层。
在上述自熔合金的基础上，根据服役条件和使用性能要求，在自熔合金中加入各种高熔点的碳化物（如ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＷＣ）、氮化物（ＴｉＮ）、硼化物（ＢＣ）和氧化物陶瓷颗粒，形成了复合涂层或进行纯陶瓷涂层的激光熔敷，从而获得各种优异的表面性能，显示出激光熔覆技术广阔的应用前景。
激光熔覆技术从出现到现在，经［１］［２，３］４历了无数次的更新换代。
早期的激光熔覆（１９８５￣１９９２年）主要集中在熔覆特性、熔敷材料及工艺参数、激光熔覆层缺陷、微观组织结构与性能，以及激光熔覆应用等方面。
现代激光熔覆（１９９３年至今）主要集中在激光熔覆基础理论、计算机数值模拟、激光熔覆专用材料、激光熔覆层检测与控制、激光熔覆高性能送粉器和喷嘴、激光熔覆快速成形与制造技术等领域的研究。
激光合金化和激光熔覆的异同
激光合金化和激光熔覆的异同好吧，今天咱们聊一聊“激光合金化”和“激光熔覆”这俩词，听上去都很高大上对吧？其实呢，它们在一些方面很像，简单来说就是都用激光这种高科技的东西，来处理金属表面。
不过呢，说到根本的区别，那可就不是那么一回事了。
今天我们就来仔细扒一扒这两者到底有啥不同，顺便也给大家普及普及激光这玩意儿到底有多牛逼。
嘿嘿，你也别被这些名词吓着，咱们慢慢聊。
激光合金化其实就像是给金属“镀”上一层合金，这层合金可以是不同的材料，比如说铬、钼、锰这些，用来增强金属表面的硬度、耐磨性或者抗腐蚀性。
简单点儿说，就像是你穿上了防护服，外面是硬硬的，里面却还是那种比较耐用的基础。
激光合金化的过程很简单，就是激光加热金属表面，表面温度升高后，金属表面的元素跟外加的合金元素开始发生反应，融合成一个新的表面层。
你可以想象成一个超级高温的“烤箱”，把金属表面烤得刚刚好，再撒上一点合金粉末，就变成了更硬、更耐磨的金属层。
而激光熔覆呢，说白了，它是一种给金属表面“增材”的方法，也就是把金属加热到熔化状态，加入填充材料，然后再重新固化，形成一个新的表面层。
你要是用一个小白话来说，激光熔覆就像是给金属加上一层“涂层”，可是这个涂层是完全“溶”进去的，和金属本体是融为一体的，不是外面套个壳。
简单说，激光熔覆可以用来修复已经磨损的金属零件，或者是增强金属的某些性能。
你可能会问，这两者有啥实际的区别呢？嘿，其实区别就在于它们的处理方式和目的不同。
激光合金化主要是改进金属表面的性能，像是提高硬度、耐磨性、抗腐蚀性这些。
你想，工厂里那些设备，常常会遭遇磨损，表面一旦有了这个“合金化”层，就能抵挡更多的侵蚀，延长使用寿命。
而激光熔覆则更多的是用来修复或者增强金属的某些特性。
比如，你的设备部件已经磨损了，激光熔覆就能让它恢复原来的模样，甚至还可以比原来更强。
可以说，激光熔覆就是金属的“重生术”，让破损的部件重新焕发活力，强壮如初。
再说到操作，激光合金化需要的材料比较简单，很多时候只是一个粉末，激光一照，表面就变硬变耐磨了。
激光表面处理技术在模具上的应用
机电技术 2012年12月128激光表面处理技术在模具上的应用谢祖华(福建船政交通职业学院,福建福州 350007)摘要:介绍了激光表面处理技术,特别是激光表面淬火､激光表面熔覆和激光表面合金化的特点及在模具上的应用。
关键词:模具;激光表面处理;激光表面改性中图分类号:TG174.4 文献标识码:A 文章编号:1672-4801(2012)06-128-03模具寿命除了与模具设计､制造､使用以及模具材料的选择及其热处理密切相关外,模具表面处理也是影响模具寿命的重要因素。
而且在许多场合下,既要求模具有高的强度和耐磨性,又要求有较高的塑性和韧性,在此情况下,模具的表面处理就显得尤其重要。
常用的模具表面处理工艺有化学热处理(如渗碳､碳氮共渗等)､表面复层处理(如堆焊､热喷涂､电火花表面强化､PVD和CVD等)､表面加工强化处理(如喷丸等)。
这些方法大多工艺较为复杂,处理周期较长,处理后存在较大变形。
近年来,随着大功率激光器的出现及激光加工技术在工业上的应用日趋广泛､成熟,为模具表面的强化处理提供了一种新的技术途径。
激光表面处理是指用激光对工件表面快速加热,在材料表面形成一定厚度的处理层,使工件表层的显微结构或化学成分发生变化,从而提高工件表面性能的工艺。
激光表面处理技术可分为激光表面热处理和激光表面改性技术两大类,前者包括激光淬火､激光退火､激光非晶化､激光冲击硬化､激光晶粒细化等,后者主要有激光表面合金化和激光熔覆。
本文主要介绍激光表面淬火､激光表面熔覆和激光表面合金化这三种激光表面处理技术在模具中的应用。
1 激光表面淬火激光表面淬火又称激光相变硬化,是指铁基合金在固态下经受激光照射,使表层以极快的速度(升温速度可达105~106 ℃/s)被迅速加热至奥氏体化状态(但低于熔化温度),当激光停止照射后,处于冷态的基体使其表面迅速冷却(冷却速度可达105 ℃/s)而进行自冷淬火,从而得到马氏体组织的工艺方法。
激光表面改性技术
1激光表面改性技术发展历程激光的发明及应用是20世纪对人类文明及社会进步影响最深远的重大科技成果之一，激光技术在材料科学及制造科学中的应用，大大促进了材料科学与工程及先进制造技术的发展激光表面改性是运用高能激光束对工件表面进行改变性能的技术，具有许多独有的特点。
从20世纪60年代激光问世以来，激光技术作为一门崭新的高新技术，几乎在各行各业都获得了重要的应用。
20世纪70年代中期大功率激光器的出现，使激光绿色再制造技术不仅在研究和开发方面得到迅速发展，在工业应用方面也取得了长足进步。
经过30年的迅猛发展，激光绿色再制造技术已在汽车、冶金、纺织等行业得到成功的应用，获得了良好的社会效益和经济效益。
激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20％的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90％以上。
激光具有四大特性:高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
激光的能最密度高（可达104-108 M/cm2)，作用于工件表面时形成局部高温，基体的加热速度和冷却速度极快，般可达104-108 ℃/S。
与传统的热加工技术相比，激光加工对基体的热影响区小得多，因此工件一般不产生热变形或变形量极小。
此外，由于激光加工是光子与材料相互接触，故而对环境的污染小，是名副其实的绿色加工技术。
进行激光表面改性处理的目的是为了制取与基体性能有较大差异的改性层，它包括激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆等技术。
激光淬火是运用高能激光束对工件以定速度进行扫描，使工件在激光照射下瞬间达到相变点以上高温，然后以极高的速度冷却，达到表面淬火的效果。
激光表面合金化是添加某一种或几种合金元素在基体表面，在激光束的照射下形成熔池，并与基体材料发生冶金反应，获得含基体元素和添加元素的合余改性层。
激光熔覆技术在镁合金表面处理中的应用
维普资讯
究 便成 为 了激 光熔 覆技 术发 展 的新 标志 。现 已研究 出同轴 送粉 和 非 同轴送 粉 两种送 粉装 置 ：非 同轴送
摘要 ： 文介 绍 了激光熔覆 处理 的工 作原 理 、 本 工艺特 点及 其在镁 合金 抗腐 蚀性 能 的应用 。 开发 更为 实用 的 镁合 金激 光熔覆 处理工 艺 ， 大对镁 合金 激 光熔敷 处理 的基 础理论 研 究对镁 合金 的生 产具有 重要 的意义 。 加 关键词 ： 光熔覆 ， 激 镁合 金 ， 面处理 ， 表 耐蚀 性 能 中图分 类 号 ： Ｇ ７ ４ 文献标 识码 ： 文章编 号 ： ０ ６ ９ ５ （ ０ ７ ０ — Ｔ １ ４． ４； Ａ； １ ０ — ６ ８ ２ ０ ）４ ２
性方 面 的应用 越来越 受 到 国内外 研究 者 的重视 。 １ 镁合 金激 光熔 覆工艺 １１ 激 光熔 覆工 艺特 点及分 类 ．
１２ 镁合金 激 光熔覆 设备 ．
由于合 金 同步送 料法 属 一 步加工 法 ，具 有 较大
激 光熔 覆技 术是 利用 高能 密度 激 光束 将 具有 不 同成分 、 能 的合金 与基 体表 面快 速熔 化 ， 基体 表 性 在 面形成 与基 体具 有 完全 不 同成分 和性 能 的合 金层 的 快 速凝 固过程 嘲 生 成的表 层合金 层把 基体 与腐 蚀介 。 质隔绝 开 ， 料 的腐 蚀性 能就 由合 金层决 定 。 光熔 材 激
料 的表面性 能 。
激 光器 是
激 光熔 覆设 备 图 １ 同步送粉激光熔覆系统示意图 中 的 重 要 部
根据 合金 供应 方式 的不 同 ，激 光熔 覆工 艺 可分 为两 种 ， 即合金 预置法 和合金 同步送料 法 。 合金 预置
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激光表面合金化的研究进展及应用（袁中涛20100110）摘要：激光表面合金化是一种材料表面改性处理的新方法，具有广阔的应用前景。
本文综述了激光表面合金化的研究现状，其中包括激光表面合金化工艺制定的基本原理及工艺分类，合金化涂层的组织特性与性能。
介绍了研究的材料类型及方法，国内外研究重点以及最新研究成果和理论分析，并且简要讲述了激光表面合金化在实际工程中的具体应用及研究展望。
同时本文指出了激光合金化当前研究存在的有待解决的问题和今后需要改进的方向。
关键词：激光表面合金化合金化涂层基体材料冶金结合正文：激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，有改变其化学成分的激光表面处理新技术。
它是利用高能激光束将基体金属表面熔化，同时加入合金化元素，在以基体为溶剂，合金化元素为溶质基础上形成一层浓度相当高、且相当均匀的合金层，从而使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能。
激光表面合金化能够在一些价格便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化的表面合金层，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价基体材料得到广泛应用，从而使生产成本大幅下降。
与常规热处理相比，激光表面合金化能够使难以接近的和局部的区域合金化，在快速处理的过程中能够有效的利用能源，利用激光的深聚焦在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。
而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点，具有很好的发展前景。
目前。
激光表面合金化研究领域不仅限于低碳钢、不锈钢、铸铁，而且还涉及到钛合金、铝合金等有色金属[1,2]。
1.激光表面合金化的基本原理和工艺分类1.1激光表面合金化的基本原理激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。
由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米级别)小斑点上，加上它本身强度高.故可以使焦点处的功率密度达到105～1013 W/cm2.温度可达1万°C以上。
在这样的高温下。
任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。
因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。
激光合金化(1aser Surface Alloying，LSA)是金属材料表面局部改性处理的一种新方法。
是在高能量激光束的照射下.使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金素同时快速熔化、混合，形成厚度为10～l 000μm的表面融化层，使材料表面在很短时间内形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层。
这种合金化层由于具有高于基材的某些性能.所以能达到表面改性处理的目的。
在农用汽车工业方面，激光表面合金化工艺可以明显改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。
延长在各种恶劣工作条件下工作的农用汽车零部件如轴承、轴承保持架、汽缸、衬套等的使用寿命。
1.2激光表面合金化的工艺分类激光合金化组织结构的主要特征与激光熔凝处理有相似之处，合金化区域具有细密的组织，成分近于均匀。
激光表面合金化所采用的工艺形式有预置法、硬质粒子喷射法、和气相合金法。
预置法是用沉积、电镀、离子注入、刷涂、渗层重熔，氧-乙炔和等离子喷涂、粘结剂涂覆等预涂覆方法，将所要求的合金粉末事先涂覆在要合金的材料表面，然后有激光加热熔化，在表面形成新的合金层。
该法在一些铁基表面进行合金化是普遍采用硬质粒子喷射法是在工件表面形成激光熔池的同时，从一喷嘴中吹入碳化物或者氮化物等细粒，使粒子进入熔池达到合金化层。
激光气体合金化法是一种在适当的气氛中应用激光加热熔化基体材料以获得合金化的方法，它主要用于软基材料表面，如铝、钛及其合金[3]。
2.合金化涂层的组织特性和性能2.1激光表面合金化的组织特性激光表面合金化涂层组织特征与其具体工艺条件及温度梯度与凝固速度之比有关。
激光表面合金化过程中，温度梯度、溶质浓度、晶体长大速度均随时间变化，所以激光表面合金化涂层组织具有复合性特征，主要组织特征类型有三种：①平面晶一—胞状晶一—胞状树——枝晶——树枝晶；②胞状晶一胞状树枝晶一树枝晶；③胞状树枝晶一树枝晶。
2.2激光表面合金化的性能当前研究认为，激光表面合金化涂层与基体材料呈良好的冶金结合，结合强度高，能够显著提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能，获得了广泛应用。
（1）耐磨性。
目前，激光表面合金化提高基体材料的耐磨性多是添加硬质合金化粉末(如SiC，wC，TiC等)，或者激光表面合金化过程中原位生成如碳化物、氮化物、硼化物或金属间化合物来增强合金化涂层的耐磨性。
预涂硬质合金粉末提高合金化涂层硬度和耐磨性的工艺目前应用依然很广泛，相当的文献报道都采用此方法进行激光表面合金化研究。
蒋平[4]利用预涂SiC粉的方法对T--6Al一4V合金进行激光合金化实验，制得以TiC和金属间化合物Ti。
Si。
为增强相的复合材料表面改性层，合金化涂层硬度及在二体磨料磨损和滑动磨损条件下的耐磨性均大幅度提高。
（2）耐蚀性。
通过激光表面合金化提高基体材料的耐蚀性，是激光合金化在实际中的一个重要的应用分支，对不锈钢和钛合金进行激光合金化实验均取得不错的成果，但其耐蚀性机理较为复杂，目前处于探索阶段。
K．H．Lo等预涂WC粉末A1S1316L 不锈钢进行激光合金化，采取合理的工艺参数可得到硬度高且脆性小的合金化涂层，在3．5％的NaCl溶液中的抗空蚀性能可提高30倍。
研究认为，抗空蚀性能的提高可能是由于激光合金化过程中WC的分解。
从而使钨在熔体中的固溶度提高及枝晶碳化物的析出所引起的。
Muthukanann Duraiselvam等则对Ti一6Al一4V添加Ni／Ti—TiC开展激光表面合金化研究，所得到的合金化涂层致密。
几乎无裂纹。
腐蚀实验显示，合金化涂层耐蚀性相对基体增加1．2～1．8倍，耐蚀性的增加主要是由于合金化涂层中金属间化合物所贡献的。
（3）耐磨耐蚀性。
在某些恶劣的工况条件下，要求工件能够具有一定的耐腐蚀磨损性能，以满足实际工况需要。
不同的研究人员实验表明，采用合适的工艺对基体材料进行激光合金化表面处理，合金化涂层的耐磨耐蚀性能够同时得到改善。
田永生[5]对Ti～6Al一4V分别添加碳、氮、硼进行激光合金化的硬度为1 100～1 300 HV，明显高于Ti一6Al一4V(约405 HV)，磨损试验表明，合金化涂层的耐磨性是基体的3～4倍。
当采用碳、氮、硼或TiC、TiN等粉末进行复合合金化后，分别进行激光合金化后合金层的硬度为可达1 600～1 700 HV，耐磨性能高于基体5倍以上，合金层的磨损表面比较平整，形成的沟槽较浅，未发生粘着磨损。
而基体的磨损表面粗糙，存在较深的沟槽，并呈现粘着磨损，经稀土化处理后，其耐蚀性得到进一步提高。
陈长军[6]采用二氧化碳激光器在ZM5镁合金上激光合金化预置Al粉，获得富Al的Mg—Al合金化涂层。
激光Al合金化使ZM5合金基材表面硬度由75～80 HV提高到275～325 HV，同时耐蚀性得到提高。
3.激光表面合金化主要研究的材料类型激光表面合金化研究的材料有很多，下面主要介绍镁合金，钛合金，铸造铝合金和铝基复合材料的激光表面合金化。
3.1镁合金的激光表面合金化工业纯镁的力学性能很低，镁的合金化是实际应用中最有效的强化途径，但加入过多的合金元素，将使材料的密度增加而失去镁合金作为轻质材料的优势，因此，实际使用中，镁合金基体中的合金含量不能过高。
激光表面合金化是在高能量激光束的辐照下，使材料表层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成与基体成分和性能不同的表面合金层，从而提高材料的耐蚀、耐磨等表面性能。
GALuN和MURAYAMA等人采用CO2激光对镁合金表面进行了Al，Cu，Ni和si 等元素的合金化处理，这些元素可与镁形成稳定且硬度较高的金属间化合物(即第2相)。
GALUN等在激光束辐照基体表面产生熔池的同时，向熔池内加入合金元素粉末，同时采用氩气对熔池进行保护，获得的改性层厚700μm～1200μm，合金元素的质量分数达0．15—0．55，组织均匀细密，改性层由过饱和固溶体和硬度较高的金属间化合物组成。
研究表明，加入适量的合金元素Al，Cu，Ni和Si可使改性层的硬度和耐磨性得到显著提高。
加入铜使镁合金耐磨性的提高效果最为显著，铜的质量分数为0.34时，改性层硬度达250HV，材料的耐磨性得到显著提高，但由于第2相M92Cu对电化学腐蚀的加速作用，材料的腐蚀严重。
加入合金元素铝，对镁合金的耐蚀性的提高效果最好，一方面由于Al的增加使表面膜更加稳定，另一方面由于Al与Mg形成的金属间化合物含量较高时，将呈网状分布，对腐蚀起有效的屏障作用，当Al的质量分数大于0.2时，可使镁合金的耐蚀性大大提高。
但由于Al与Mg形成的金属间化物较脆，因此加入过量的Al对镁合金耐磨性的提高效果并不理想。
研究表明，随着合金元素含量的增加，改性层硬度增加，但合金了亡素与镁形成的金属间化合物一般较脆，加入过量的合金元素，容易造成金属间化合物的脱落，反而会使材料耐磨性下降。
激光功率太小或扫描速度过高时，合金粉末难以与基体充分熔合生成均匀的合金层。
另外，由于表面材料在凝固和冷却过程中的收缩，随着改性层内较脆的金属间化物的增加容易在改性层内产生裂纹，选择合适的工艺参数和进行适当的热处理，可减少改性层内的裂纹。
3.2钛合金的激光表面合金化钛合金具有密度小、比强度高、抗腐蚀性能优异等特点，在航空、航天、冶金、化工等工业部门具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
但钛合金存在耐磨性能差等缺点，限制了它在运动构件中的使用。
近年来，采用激光熔覆的方法提高钛合金耐磨性的研究已有许多报道。
孙建军[7]过采用CO2激光对TC4合金进行TiN表面合金化处理，探讨了激光功率对合金化层组织和硬度的影响。
结果表明，激光合金化试样存在组织不同的三个区域，分别为TiN合金化层，基底熔凝层和淬火层。
TiN合金化层由钛合金基体和TiN组成，其中TiN呈现颗粒和树枝晶两种形态。
基底熔凝层为定向生长的柱状晶，基底淬火层为针状马氏体。
TiN激光合金化层的硬度在700～1100HV之间，约为阻合金的2～4倍。
3.3铸造铝合金和铝基复合材料铸造铝合金由于具有低密度高比强热导率高延展性能和耐腐蚀性能优异等优点在汽车航空等工业部门中获得广泛的应用但是由于传统的铝合金硬度低耐磨性差等因素极大地限制了铸造铝合金的应用铝不具有同素异形转变所以不能像铁碳合金一样通过固态相变来提高铝合金的硬度为了提高铝合金的硬度除了从冶金方面添加合金元素的途径来达到之外还可以通过表面改性来实现铝合金的表面改性或者叫做表面处理包括合金化熔覆等工艺例如激光合金化激光熔覆等铝合金的激光表面合金化是指在激光光源的辐照下将Fe、Ni、Cr、B、Si等合金元素熔入铝合金基体形成与基体具有优异冶金结合性能的合金化层由于Fe—Ni等合金化元素与Al形成细小弥散分布的金属间化合物强化相达到提高铝合金表面硬度改善耐磨性能的目的由于激光能量的可控性好合金化层与基体的结合性能好等优点因此激光表面合金化得到广泛的研究和应用[8,9]周龙早等[10]将Ni-Cr合金粉末用有机粘接剂调成膏状涂在铸造铝合金ZL108基体上，然后采用CO2激光进行激光表面合金化处理。