激光合金化
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第60页（2909字）
激光合金化是在材料表面被激光熔化的同时，加入合金元素(可事先放置或当时吹入)，经过短暂的液态对流扩散而形成一层有一定均匀度的高合金表面，从而具有耐磨、耐腐蚀或耐热的特殊性能．
2．5．2．1 激光合金化的基础理论
激光合金化过程中，在熔池表面上存在表面张力梯度，正是这个表面张力梯度成为合金熔体在熔池中对流的驱动力．由于这种对流作用对合金熔池内的合金元素的混合搅拌，使得激光制备的表面合金的成分在宏观上基本均匀．
影响合金熔体对流的因素可以分成两大类：一类是工艺性的，如激光功率、扫描速度、光斑尺寸等．由于它们的综合作用，决定了熔体的温度梯度，特别是熔池表面的温度梯度，进而影响熔池中的熔体对流．另一类是材质性的，如合金成分、浓度、粘度等．由于它们的变化，影响了熔池中的传热和传质，进而影响熔池中的熔体运动．
在激光表面合金化时，合金元素对其粘度的影响较大，它必然对激光制备的表面合金的成分均匀与否产生一定的作用．合金元素加入熔体后将显着地改变熔液表面的表面张力值．表面张力的变化意味着表面张力梯度的改变，它将直接影响激光合金化过程中的对流循环特征，从而影响表面合金的成分均匀性．某些表面活性元素如S、O等，在合金化工艺控制不严的情况下，可能进入合金熔池内，这将大大改变熔体的表面张力，其结果是改变合金熔体的对流特征．因此，激光合金化过程中应当采取严格的防污染措施．
在激光合金化过程中，各种力学性能、物理性能和化学性能是激光表面合金设计的主要依据和要求达到的目的．表面合金设计的目的就是应用各种合金元素间的最佳配合，优化经济方案和相应的激光合金化工艺来获得理想的组织结构和性能．
2．5．2．2 激光合金化类型
通常按合金元素的加入方式将其分成三大类，即预置式激光合金化、送粉式激光合金化和气体合金化．
预置式激光合金化就是把要添加的合金元素先置于基材合金化部位，然后再激光辐照熔化．预置合金元素的方法主要有热喷涂法、化学粘结法、电镀法、溅射法和离子注入法．一般说来，前两种方法适合于较厚层合金化，而后两种则适合薄层或超薄层合金化．
送粉式激光合金化就是采用送粉装置将添加的合金粉末直接送入基材表面的熔池内，使添加合金元素和激光熔化同步完成．
气体合金化是将基材置于适当的气氛中，使激光辐照的部位从气氛中吸收碳、氮等并与之化合，实现表面合金化．
2．5．2．3 几种合金系的激光合金化
(1)铁系激光合金化 铁系合金系是最常用的合金系，最引人注意，研究得也很多．表2-12为一组铁系激光合金化的实验结果．这组合金化主要是在工业纯铁、普通碳钢、合金钢、高速钢和铸铁等表面添加Cr、Ni、W、Ti、Mn、B、V、Co、Mo等合金元素以及碳化物、硼化物、氮化物等硬质粒子，以提高基材表面的耐蚀和耐热等性能．加入的合金元素将与基材熔合合金化，并通过形成强化相、过饱和固溶体和析出相等形式进行强化．加入的硬质粒子在大多数情况下与基材熔液混合，并镶嵌在合金化层中．
(2)按相同特点分组的合金系的合金化 表2-13为二元和三元合金系．按平衡状态的固溶性将其分成3组，即液相和固相互溶系、液相互溶但固相有限互溶或不互溶系和液固相均不互溶系．
表2-12 一组铁系激光合金化研究结果
表2-13 激光合金化所研究过的二元合金系和三元合金系
注：表中二元和三元系中最后的元素为基体，前面为添加元素，如Cr-Fe表示在Fe的表面加Cr合金化．
表2-13中第一组的固相互溶系是简单的合金系．这组典型的代表是Pd-Ni系．采用CW-CO2激光和Q-Nd：YAG激光对单晶Ni表面沉积Pd膜进行合金化，均已获得了置换固溶体．在激光合金化的实际应用中，选用此组合金系，制备那些添加的合金元素非常昂贵或稀少的表面合金层，同传统的整体合金化方法相比，可大大降低其制造成本．
第二组的液相互溶、固相有限互溶或不互溶系是激光合金化中最受重视的一类合金系．在激光合金化的快速溶凝条件下，此类合金系最易形成过饱和固溶体，扩大热平衡相的固溶性和形成亚稳态晶体相．在更高的冷速条件下，甚至可抑制结晶过程而形成非晶态合金．因此，可以认为这组合金系为激光合金化制备非常规新合金提供了最大可能性．
第三组为液相和固相不互溶系，典型的是Ag-Ni合金系．
(3)有色金属激光表面合金化 有色金属的激光表面合金化，主要是以Al和Al合金以及Ti和Ti合金为基进行的．表2-14示出了有关这方面的一些实验结果．
表2-14 几种有色金属基激光合金化研究结果
(4)气体激光表面合金化 气体激光表面合金化主要用于基材表面熔层的氮、碳和氧的合金化，可在极短的时间内生成表面氮、碳或氧化物层，其所采用的基材以低碳钢、铝及铝合金和钛及钛合金最为常用．
2．5．2．4 激光合金化应用实例
从1977年美国AVCO Everett公司首先用CO2激光进行了激光合金化研究以来，激光合金化的深度提高了几个数量级，逐渐达到了可以工业应用的水平．
汽车发动机阀门座是最典型的应用实例，排气阀工作温度为650℃，阀门座基体材料为灰铸铁，淬火后在230℃即回火软化．而采用6．5kW连续CO2激光，加Cr、Co、W进行激光合金化，操作时间15s，合金层厚度0．76mm，硬度HRC60；再精磨0．2mm，合金层在540℃回火2h硬度无明显下降，可节约80%的成本，同时又延长了产品的使用寿命．