激光表面納米化技術詳解及最新進展

激光表面納米化技術納包括表層材料晶粒納米化和實現表層納米結構。

納米材料和納米結構所具有的各種的優異性能已經逐漸被人們認識，對金屬材料來說如果晶粒尺寸細化到納米量級，其綜合性能將大幅度提高，同時金屬材料表層的納米圖案結構可以極大地改善材料表面性能，可以使材料具有抗氧化，耐磨，耐腐蝕，超疏水等一系列優異性能。

材料表面納米化的方法有多種，在各類表面納米化技術中有一大類，是利用激光表面處理技術和納米技術相結合實現納米特性的表面層，可以統稱為激光表面納米化技術；

或更廣義的稱之為激光納米表面工程技術，就是直接或主要利用激光這種特定的技術手段，直接改變或是添加材料改變被處理固體材料表面的形態、成分或結構，使其形成含有納米晶粒或一定納米顆粒成分的表層。

或者使用激光刻蝕，激光壓印，激光毛化，激光微納造型等手段在材料表面實現納米結構。

1 激光表面處理技術

上個世紀70年代大功率激光器研製成功後，使激光表面處理技術進入實際應用，隨後迅速發展，先後出現了激光淬火（激光相變硬化表面改性技術）、激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆、激光表面非晶化和激光衝擊強化等方法。

這些激光表面處理技術通過使材料表面形成一定厚度的處理層，以改善材料表面的力學性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等性能。激光由於功率密度高，方向性好，能量傳遞方便，可在各種透明介質中傳輸等特點。

同時各種段脈衝激光的發展使得激光表面納米圖案化愈加可行。

隨著納米材料和納米表面工程技術的發展，應用各種激光表面處理技術，實現零件表面納米化的探索也逐漸展開，並取得一定成果。

激光表面納米化技術由於實質上就是激光表面處理技術和納米表面技術結合所產生的，所以其同樣具有激光表面處理的所有優點，相較於其他表面納米化技術，這些優點有的是至關重要的；

比如機械研磨表面納米化技術，就不適用於大面積、複雜形狀的零件；

再比如表面輥壓或振動噴丸表面納米化技術在處理複雜形狀零件上都有困難，實際生產中難以實現，而激光表面納米化技術卻基本不存在類似問題。

2 激光表面納米化的方法

2.1激光輻照表面納米化技術

激光輻照表面處理研究較多地集中在激光淬火硬化的表面改性工作上，同時也在激光固溶或激光退火上進行了很多的研究，目前尚無研究人員明確提出使用激光輻照進行金屬零件表面納米化的研究。

但燕山大學的文海燕在她的碩士論文中提到，使用一定功率的激光以特定的工藝參數反覆循環輻照，對Inconel718合金微觀組織性能變化規律的研究過程中，在某一組處理參數下，Inconel718材料表層出現納米晶粒結構。如圖1所示。

圖1 Inconel718材料激光表面處理後斷口掃描電鏡照片 Tm=750℃，f=1/10Hz，N=1000 次

2.2 激光重熔（激光熔凝）表面納米化技術

激光重熔一般是指，用高能聚焦激光束將零件表面熔化而不加任何其他成分，以基體表層的快速融化和凝固細化晶粒、消除缺陷，達到表面組織改善的目的。

激光重熔作為一種表面工程技術，已有大量的研究人員做過相關研究工作，研究指出通過激光重熔處理能夠顯著提高材料的表面硬度、抗腐蝕能力和磨損性能,但作為表面納米化技術尚無人單獨明確提出。

吉林大學 Chengtao Wang、Peng Zhang分別在其論文中提到使用激光重熔處理GCr15、H13鋼得到納米晶粒組織這一事實。

他們的做法是，如圖2所示，將試件放在盛有去離子水的容器中，調整水量可調整液面到被處理面的距離，然後用Nd:YAG激光以一定的工藝參數進行試件表面重熔。其結果如圖3、圖4所示。

圖2 激光表面重熔裝置和試件示意圖

圖3 不同處理狀態下H13鋼微觀結構（a）空氣中, (b) 1 mm 水層, (c) 2 mm 水層, (d) 3 mm 水層.

圖4 不同處理狀態下GCr15鋼微觀結構（a）1 mm 水層 , (b) 2 mm 水層, (c)3 mm 水層.

2.3 激光熔覆表面納米化技術

激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，激光輻照和激光重熔都是直接處理基體材料而不添加其他材料，但激光熔覆是通過在基材表面添加熔覆材料，並利用高能量密度的激光束，使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層。

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