雷射表面改性技術發展研究

一、前言

以航空航天、新能源、軌道交通為代表的高端裝備對使用部件的表面性能要求極高 [1]，感應、噴塗、噴丸、滾壓等常規表面強化手段已難以滿足高性能裝備的應用需求 [2]。雷射技術在改善金屬材料的表面性能、突破傳統改性技術應用約束等方面潛力突出 [3]，被視為現代工業的「萬能加工工具」「未來製造系統共同的加工手段」。雷射表面改性技術利用雷射的高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特徵，通過改變金屬材料表面的組織結構和化學組成來對材料表面進行改性或合金化，進而達到改善材料表面性能的目的。在低成本材料表面製備低價格、高性能的表面塗層，對於重要零件材料及其性能的選擇匹配與設計製造具有重要意義 [4~7]。

作為一種表面工程普適性技術，雷射表面改性技術面向我國製造業轉型升級的重大需求，直接服務於重大裝備高端部件的性能提升與國產化製造，具有廣泛的適用範圍和良好的應用前景。常規的雷射表面改性技術有：雷射淬火、雷射退火、雷射熔凝、雷射合金化、雷射熔覆、雷射衝擊強化、雷射上釉、雷射表面微結構化等。其中，以雷射衝擊強化、雷射淬火、雷射熔覆最為典型，在現代工業生產中發揮著重要作用。雷射衝擊強化技術具有非接觸、無熱影響區、可控性強、強化效果顯著的優點 [3~4]。經雷射淬火後的材料，其表面強度比常規淬火提高 5%~20%，淬火層深度可達 1 mm，因此雷射淬火具有加熱速度快、熱影響區小、熱變形小和可局部實施的優點 [5]。雷射熔覆具有稀釋度小、組織緻密、塗層與基體結合好等優點 [6]。

本文系統梳理雷射衝擊強化、雷射淬火、雷射熔覆等典型的雷射表面改性技術國內外發展現狀，結合產業應用需求剖析技術發展面臨的問題，總結領域技術重點發展方向並提出後續發展建議，以期為我國雷射表面改性技術研究提供參考借鑑。

二、雷射表面改性技術的發展現狀

（一）雷射衝擊強化技術

雷射衝擊強化技術在航空航天、船舶、汽車、石油化工、核工業和高端模具等裝備製造領域獲得了較多應用。據統計 [8]，在航空航天和船舶領域，49% 的燃氣渦輪發動機構件損傷是由疲勞失效引起的，而葉片、機匣和傳動部件是最容易發生疲勞斷裂的零部件（見圖 1 和圖 2）。雷射衝擊強化技術成為改善發動機關鍵零部件疲勞壽命的必要手段。

圖 1 燃氣渦輪發動機失效方式佔比分布

圖 2 燃氣渦輪發動機部件對高周疲勞的敏感性佔比分布

工業發達國家在早期紛紛開展了雷射衝擊強化技術的研究，目前美國仍是雷射衝擊強化技術發展最快、應用最成功的國家。美國在 20 世紀 90 年代後期提出的「高周疲勞科學與技術研究」計劃，將雷射衝擊強化技術列為先進航空發動機的 76 項關鍵技術之一。2012 年，美國金屬改性公司（MIC）研製了移動式雷射衝擊強化設備以解決現場作業難題 [1]。美國通用電氣公司（GE）面向市場需求推出了用於大型薄壁件加工的雷射衝擊強化設備，廣泛應用於發動機葉片 / 葉盤、機翼等結構件的表面強化。

20 世紀 90 年代，國內開始了雷射衝擊強化方面的技術研究和應用探索。隨著雷射器技術的快速發展、相關理論的不斷成熟，我國雷射衝擊強化技術的工程應用規模逐漸擴大。2008 年第一條擁有自主智慧財產權的雷射衝擊強化生產線建成投產，中國成為世界上第二個取得該技術實際應用的國家 [9]。2011 年，中國科學院瀋陽自動化研究所研製了我國第一臺工業應用級整體葉盤雷射衝擊強化系統 [10]。2016 年，中國科學院寧波材料技術與工程研究所在隨動式雷射衝擊強化技術方面取得突破，實現了對齒輪、機電腔體、刀具、微細結構等複雜零件的處理 [11]。江蘇大學在高端金屬雷射衝擊梯度納米結構形成機制、抗疲勞製造機理、典型結構衝擊強化工藝和應用等方面完成了系列化研究 [12]。

（二）雷射淬火技術

雷射淬火技術在工業發達國家的應用已經普遍化和成熟化。例如，諸多汽車製造商都建立了雷射表面淬火生產線，通過雷射表面改性來提高汽車零部件的耐磨性；採用雷射淬火增加船用柴油機氣缸套內壁的耐磨性，對重載大齒輪進行雷射表面淬火處理來規避常規熱處理工藝可能造成的大變形、高汙染問題。

我國雷射淬火技術應用起步於20世紀80年代，先期在汽車發動機氣缸體、缸套等零部件方面開展應用；經過多年發展已拓展應用於航空航天、能源、石化、冶金等工業領域，對軸體類、套筒類、齒輪類、葉片類、模具等零件均取得良好的強化效果。採用較大光斑的雷射束對 65Mn 彈簧鋼表面進行淬火，硬化層深度約為 0.3 mm，硬化層硬度可達基體的 4.2~5.4 倍 [13]。對卷取機捲筒主軸40CrNiMoA 鋼表面進行雷射淬火，磨損量僅為基體的 36.1% [14]。通過雷射淬火對 35CrMo 合金結構鋼迴轉軸截面突變處進行局部強化，表面殘餘壓應力是未處理前的 1.9 倍 [15]。針對鋼軌在與高速運行輪對的摩擦配副過程中的損傷問題，華中科技大學、武漢新瑞達雷射工程有限責任公司等單位開展了鋼軌雷射淬火強化技術研究，研製了國際上首臺鋼軌雷射淬火強化工程車，獲得正式定型並通過性能考核 [16]。為了解決兆瓦級風力發電機的主軸軸承在極端環境（重載磨損、高衝擊、高鹽等）下的可靠服役問題，浙江工業大學發展了雷射深層淬火技術，將雷射淬火層深度提高到 3.7 mm，有效提高了零部件在複雜環境下的抗疲勞、抗磨損性能（見圖 3） [17]。

圖 3 重載軸承的雷射深層淬火

（三）雷射熔覆技術

雷射熔覆技術產生於 20 世紀 70 年代，美國AVCO 公司率先開展汽車發動機易磨損零部件的表面強化應用。目前，相關技術在汽車、動力裝備、軌道交通等領域得到廣泛應用。日本、美國企業將雷射增材再製造技術商業化，批量修復了軍用飛機發動機的磨損失效零件，節約經費並提高了修復效率 [18]。在汽車工業領域 [19]，採用雷射熔覆技術對汽車曲軸進行表面修復，獲得了與曲軸表面結合緊密且性能良好的熔覆塗層。德國發展了超高速雷射熔覆技術（EHLA），可在短時間內完成大面積塗層的快速製備，熔覆層厚度在 0.1~0.25 mm 範圍可調，生產速度比傳統雷射熔覆提高 100~250 倍，可取代電鍍、熱噴塗、堆焊等傳統技術。

20 世紀 80 年代以來，我國雷射熔覆技術發展迅速，已經從實驗室研究擴展到工程實際應用，如航空航天、動力裝備、機械工業、石油化工、汽車等行業。機械科學研究總院集團有限公司、哈爾濱工業大學與國外機構進行聯合研發，實現了超高速雷射熔覆技術的工程應用 [20]。西北工業大學開展了鈦合金零件的雷射修復研究，成功修復了航空零部件 [21]。浙江工業大學將雷射熔覆技術應用於汽輪機葉片強化和汽輪機轉子修復 [22]，對失效轉子進行回收和再製造利用，延長轉子使用壽命約2~3 倍（見圖 4）。雷射熔覆技術大量應用於機械工業中的軸承、曲軸、模具、螺杆、刀具等易損易耗零部件。例如，以雷射熔覆技術對天然氣淨化廠汽輪機氣缸變形位置進行現場修復，消除了氣缸漏氣現象 [23]；在 45 鋼曲軸連杆軸頸上雷射熔覆鐵基合金粉末，形成相當於基體 2~3 倍硬度的熔覆層，解決了曲軸軸頸易出現裂紋和過度磨損的問題 [24]。

圖 4 經雷射表面強化後的汽輪機葉片

三、我國雷射表面改性技術面臨的問題

（一）基礎理論研究不夠深入

我國雷射表面改性技術的研究歷程相對較短，加之重應用、輕機理，使得這一方向的基礎知識和理論研究不夠深入透徹，如基於遠平衡態的雷射與材料表面相互作用的材料物理冶金機制、晶粒生長機制及缺陷形成機制等。

在專用熔覆材料方面，目前多數應用仍然沿用熱噴塗粉末。由於熱噴塗與雷射束作用是兩種完全不同的物理冶金過程，相關材料實際上不適用於雷射表面強化與再製造，由此帶來的氣孔、開裂現象難以避免。

（二）裝備核心部件國產化程度不高

目前，國內在高質量雷射表面改性方面所採用的雷射器多為進口產品，主要是進口雷射器的工作可靠性和穩定性更好。一方面，進口產品的採購周期較長，往往對國內相關技術的發展和研究產生較大的影響；另一方面，雷射晶片、雷射器、雷射頭、控制軟體等核心部件國產化水平相對較低，產業發展受制於人的現象沒有消除。

面向未來，雷射表面改性將成為主流的製造技術，智能化、極端化和高性能化是發展趨勢。突破高效率、高質量雷射發生器的國產化研製難題，構建雷射表面改性專用裝備集成技術體系，加強批量生產能力並實現產品化發展，將是支撐我國製造業高質量發展的重要挑戰之一。

（三）應用市場規範化與技術標準化存在差距

國內雷射表面改性技術的應用仍處於「小而散」的狀態，在企業規模、研發投入、產品成熟度、市場開發、材料研發等多個方面都與國外存在不小差距。

1. 技術熱點

國外較多關注再製造生產過程中的綠色生產和質量控制，相關研究集中在綠色清洗和無損檢測技術方面。國內發表的雷射表面熔覆技術工藝研究論文較多，近期在再製造方向孵化出了一批應用型企業；相關研究與應用集中在毛坯損傷修復成形（屬於外形恢復的初級階段），而有關修復性能、缺陷檢測等質量保障技術存在較大差距，工藝規範和標準明顯缺失。

2. 製造業應用

國外雷射熔覆技術已經具有了相當的工業體量，重點圍繞汽車、航空航天、海洋工程裝備等高端零部件的再製造與表面改性實施應用。國內則主要應用在礦山機械、模具行業、鋼鐵冶煉、石油化工、煤炭綜採、汽車零件等「量大面廣」的基礎件修復與耐磨耐蝕性能改善。我國雷射表面改性產業現已初具規模，但在重大、高端裝備的應用方面尚顯不足。

3. 產業規模

歐洲多家大型雷射表面改性企業不僅完成了在歐洲的市場布局，還通過代理商模式完成了在我國主要城市的市場布局。從商業模式看，歐洲企業注 重生產設備與加工服務相結合，實際發展也證明這是推進雷射表面熔覆技術產業化的有效形式。相比之下，國內雷射表面強化企業尚未走出國門來拓寬海外市場，在雷射製造技術及裝備的自主創新發展方面存在不少短板，商業運作模式有待優化，核心競爭力有待提升。

四、雷射表面改性技術的重點發展方向

（一）雷射表面改性專用合金材料製備技術

雷射表面改性（尤其是雷射熔覆）的過程是在高溫遠平衡凝固條件下進行的，析出、相變與常規條件下的演化過程差異甚大。在無法實施後處理的情況下，為了獲得硬質相的析出，需要異常高的過飽和度，這既是高性能的保障，又是產生非預期應力和開裂的主因。研製不易產生缺陷的高性能合金材料配方是雷射表面改性技術實現大範圍工業應用的首要條件。探索基於遠平衡態的專用材料設計理論及科學配比方法，建立各類專用材料體系，為雷射表面改性技術的拓展應用提供關鍵的基礎支撐。

（二）多能場雷射複合表面改性技術

高端裝備製造業對於關鍵零部件表面性能的要求持續提高，傳統的以單一雷射作為熱源的表面改性技術面臨發展瓶頸。多物理場協同作用的複合改性技術在對雷射表面改性過程中的傳熱傳質行為進行靈活調控方面顯示出了獨特優勢。相應的重點發展方向包括：超音速雷射複合沉積、電場 – 磁場協同的雷射表面改性、雷射 – 感應複合表面改性、雷射 – 超聲振動複合表面改性、雷射 –（電）化學複合表面改性、多層梯度複合改性等。此外，深入研究多物理場協同作用對於雷射表面改性非平衡過程的影響機理，建立複合場工藝、雷射工藝和改性層性能之間的關係模型。

（三）面向現場的雷射再製造技術

面向企業現場存在的大型機械不易拆卸、運輸困難等問題，研製方便靈活的移動式雷射再製造成套裝備。突破高功率、寬光斑、高穩定性的大面積連續雷射再製造工藝技術，拓寬雷射再製造工藝窗口；通過過程控制縮短再製造時間，提高雷射再製造層的沉積精度來降低表面粗糙度、減少後續加工量，實現修復層性能等於或優於原工件。

（四）雷射衝擊強化控形控性技術

航空發動機關鍵部件的雷射衝擊強化（LSP），兼顧「性能」「形狀」要求較為困難，這是當前面臨的技術瓶頸問題。為了推進LSP技術的普及發展，可在以下方面開展工作：攻關雷射衝擊強化控形控性技術，同時滿足航空發動機關鍵部件的性能、尺寸精度以及形狀表面完整性的技術要求；設計更高效率的新型能量耦合裝置，降低雷射器的輸出要求，突破無需預鋪設吸收層且對邊緣效應不敏感的隨動型雷射衝擊強化技術；研究新型雷射衝擊強化工藝的基礎規律，開展管道、狹窄空間內壁的雷射衝擊強化處理應用；研製長壽命、高可靠、智能化雷射衝擊強化專用裝備，實現多類工程化應用；建立系列工藝規範。

（五）雷射表面改性智能化技術

雷射表面改性涉及多學科交叉，目前國內雷射表面改性智能化控制技術處於起始階段。重點發展方向包括：通過光學、機械、電氣、材料、工藝、製造、控制、信息、網絡等學科知識的深度融合，連接上下遊研究機構和企業進行協同攻關；突破對溫度、材料、尺寸位置、表面質量的智能化控制技術，建立雷射表面改性專用材料庫及工藝資料庫；開展雷射表面改性成套設備的集成及系列化工作，具備智能化生產能力。

（六）雷射表面微結構化技術

應對多功能、多尺度、高效率、高質量、高精度等產品綜合性能的需求，利用短脈衝、超短脈衝雷射製備功能表面微結構，成為當前製造科學的研究前沿。脈衝雷射織構技術利用雷射的高能量峰值強度和非線性吸收特性，製備超疏水、超親水仿生微結構，在半導體材料表面製備減反射微結構，在金屬表面獲得減摩微結構。重點研究雷射與材料相互作用的非線性、非平衡和多尺度過程，構建高時間 / 空間解析度、跨尺度的組織結構；形成閉環反饋控制的電子動態調控加工新方法、新技術、新裝備，拓展可重複、高效率的極限微納製造能力，匹配國家產業應用重大需求。

五、對策建議

（一）發揮政策引導作用

發揮政府機構對雷射製造行業發展的政策引導作用，明晰近、中期的發展戰略、重點領域、技術政策等；鼓勵各方聯合，集中力量開展技術攻關，儘快建立自主可控的關鍵技術體系。作為智力、資金、技術密集的高新技術產業，雷射表面改性技術的起步門檻較高、投資風險較大、盈利回報時間較長。建議各級政府出臺產業扶持政策，對企業研發經費予以適當比例的配套，促進建立減少投資風險、鼓勵技術創新、實現企業轉型升級的新機制。

（二）加快關鍵核心器件的創新與國產化

加快研製具有自主智慧財產權的雷射表面改性成套裝備和關鍵核心器件，儘快實現雷射發生器、送粉裝置、光學系統、雷射加工頭、運動系統等的國產化製造，打破國外技術和產品的壁壘。通過技術創新和設計優化，確保國產雷射表面改性成套裝備的長期穩定和連續運行，以產品質量提高助力我國製造業高質量發展。

（三）完善產業鏈配套措施

支持雷射表面改性技術及裝備的應用創新和示範，通過技術進步促進相關產業發展。整合高新技術企業稅收優惠、科技成果轉化、科技融資與擔保、孵化器等一系列科技政策和手段，促進形成涵蓋元器件生產、裝備生產、材料製備、軟體開發、製造服務的雷射表面改性技術產業鏈。

（四）建立質量評價標準體系

成立專業性認定機構，組織行業專家團隊，編寫用於指導雷射表面改性的工藝、材料使用、質量檢測、生產安全等方面的標準（或規範），建立健全標準體系。以質量評價標準體系為紐帶，加強「產學研」合作和交流，為雷射表面改性技術的拓展應用提供參照和依據。

（五）加強高端人才培養和國際交流合作

圍繞雷射表面改性技術對高端技術人才的需求，為雷射表面改性技術的發展提供良好的科研環境，培養和打造高水平、梯次合理的科研隊伍。發揮行業學會 / 協會、高等院校、科研院所及各類相關社會機構的教育和交流作用，為行業持續發展給予人才保障。通過國際高端智力引進，推動我國雷射表面改性技術與裝備的創新突破。注重國際交流與合作，參與國際標準制定以增強產業發展話語權。