胡增榮，童國權，陳長軍，郭華鋒，周 亮，徐家樂

（1.南京航空航天大學機電學院，南京210016；2.蘇州大學城市軌道交通學院，蘇州215131；3.蘇州大學機電工程學院，蘇州215131；4.江蘇科技大學機械工程學院，鎮(zhèn)江212003）

激光納米表面工程技術

胡增榮1，2，童國權1*，陳長軍2，郭華鋒1，周 亮3，徐家樂4

（1.南京航空航天大學機電學院，南京210016；2.蘇州大學城市軌道交通學院，蘇州215131；3.蘇州大學機電工程學院，蘇州215131；4.江蘇科技大學機械工程學院，鎮(zhèn)江212003）

表面工程技術、納米技術和激光技術結合產生了激光納米表面工程技術?？偨Y了相關的各種主要實現方法。通過對大量現有文獻的總結和分析研究可知，可以通過這些激光處理方式對材料表面進行自納米化或者熔敷制備含納米顆粒的涂層。

激光技術；表面工程；激光納米表面工程；激光輻照；激光重熔；激光熔覆；激光沖擊

引 言

納米材料所具有的各種優(yōu)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，但目前大規(guī)模塊體金屬納米材料的制備仍然難以實現。同時，由表面工程技術的研究可知，零件在正常工作條件下，其失效主要發(fā)生在工作表面，零件接觸表面的疲勞、腐蝕和磨損是造成零件失效的重要原因，所以希望可以將零件表面進行納米化處理，以期得到表面性能的顯著提高，延長零件的有效使用壽命。

因此，1999年LU等人提出金屬材料表面納米化的概念［1］，通過特定的方法直接在金屬材料的表層形成納米晶粒結構，以優(yōu)化和提高相應材料的綜合機械性能和使用壽命。緊接著2000年，XU等人又提出納米表面工程的概念，將納米材料、納米技術和表面工程技術相結合，采用特定的加工技術或手段，以期在固體材料的表面得到具有納米特征的表層［2-3］。LU院士所提出的金屬材料表面納米化的概念是指在金屬材料的基體上采用表面自納米化的方法，在零件表面形成與基體成分一致的納米晶粒結構；而XU院士所提出的“納米表面工程”是一個范圍更為寬廣的概念，是指充分利用納米材料和納米技術提升改善傳統表面工程，通過特定的加工技術或手段改變固體材料表面的形態(tài)、成分、結構使其納米化，從而優(yōu)化和提高材料表面性能［3］。這里對基體材料，表層的成分、形成方式以及與基體的結構關系都沒有限制，只強調了表層材料的納米化，作者認為也應當廣義地理解這個納米化，可以是表層材料完全納米化、部分納米化、混合納米化或者是只含有一定的納米顆粒成分。

材料表面納米化的方法有多種，通常歸為三大類［2，4-6］：一是表面涂層或沉積，如使用物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）、化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）或激光熔覆、熱噴涂等方法在零件表面沉積一層納米結構表層，材料成分可以與基體材料相同也可以不同，可以是單一成分也可以是復合成分，特點是晶粒均勻尺寸可控，但沉積層與基體結合強度通常較差，一般有明顯分層；二是表面自納米化，就是直接使零件表層的材料晶粒組織細化到納米量級，其實現方法主要有表面機械處理法和非平衡熱力學法，其特點是處理層和基體沒有明顯分界，晶粒由表及里逐漸增大，并且處理后外形尺寸基本不變；三是表面自納米化與化學處理相結合的混合方式，就是將表面納米化技術與化學處理相結合，在納米結構表層形成時，對材料進行化學處理，在材料的表層形成與基體成分不同的固溶體或化合物，特點是形成納米晶粒結構的同時附加特殊性能，并且處理后的外形尺寸也基本不變。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并結合其它輔助技術手段，直接改變或是添加材料改變被處理固體材料表面的形態(tài)、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。一般不特別說明的情況下，是指對金屬材料基體進行激光表面改性處理實現納米特性表層的技術。

1 激光表面處理技術

20世紀70年代大功率激光器研制成功后，使激光表面處理技術進入實際應用，隨后迅速發(fā)展，先后出現了激光淬火（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沖擊強化等方法。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。激光由于功率密度高、方向性好、能量傳遞方便，可在各種透明介質中傳輸，所以與其它表面技術處理相比激光表面處理技術有如下特點：（1）可以方便地處理工件表面的各個部分，即使是復雜表面形狀的零件也能方便地實現自動控制；（2）高的功率密度保證快速處理，處理后工件熱變形小、效率高、成本低；（3）對工作環(huán)境要求不高。

隨著納米材料和納米表面工程技術的發(fā)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，并取得一定成果。激光納米表面工程技術由于實質上就是激光表面處理技術和納米表面工程技術結合所產生的，所以其同樣具有激光表面處理的所有優(yōu)點，相較于其它表面納米化技術，這些優(yōu)點有的是至關重要的，比如機械研磨表面納米化技術，就不適用于大面積、復雜形狀的零件；再比如表面輥壓或振動噴丸表面納米化技術在處理復雜形狀零件上都有困難，實際生產中難以實現，而激光納米表面工程技術卻基本不存在類似問題。

2 激光納米表面工程技術的實現方法

2.1 激光輻照表面納米化技術

激光輻照材料表面改性技術應當包括激光熱處理、激光重熔、激光表面合金化及激光沖擊等，為便于與后面所提到的激光納米表面工程技術區(qū)分，這里所說的激光輻照是指激光照射后材料表面不產生物態(tài)變化的情況，即激光輻照后材料表面不熔化也不汽化。在此范圍內的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，同時科研人員在激光固溶或激光退火上也進行了很多的研究，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WEN［7］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量反復循環(huán)輻照，對Inconel718合金微觀組織性能變化規(guī)律的研究過程中，在某一組處理參量下，Inconel718材料表層出現納米晶粒結構。如圖1所示［7］。Inconel718試樣經過拋光后進行激光表面處理實驗，Tm是激光輻照試樣表面最高溫度，可以通過調整激光功率控制；f是激光輻照頻率，可通過控制系統設置激光輻照時間及樣品冷卻時間調整；N是激光輻照次數。掃描電鏡照片顯示試樣形成納米晶粒組織結構。這可能是材料表面在交替激光照射和冷卻過程中反復驟熱急冷而造成晶粒細化到納米級。該作者在其碩士論文中并沒有對其形成機制給予進一步的分析和解釋，但這一發(fā)現卻有重要意義，如果其實驗準確的話，可以據此推斷，采用適當材料預處理技術和適當激光輻照工藝參量，可以在金屬材料表面形成納米晶組織，至于其形成機理和納米晶表層的各種性能還有待于進一步研究。激光輻照表面納米化技術相對于超聲噴丸、超音速微粒轟擊和表面機械研磨等表面納米化方法，其優(yōu)越性是多方面的。

圖1 Inconel718材料激光表面處理后斷口掃描電鏡照片（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它成分，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［8］，但作為表面納米化技術尚無人單獨明確提出。吉林大學WANG［9］、ZHANG［10］等人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。他們的做法如圖2所示［10］，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，然后用Nd∶YAG激光以一定的工藝參量進行試件表面重熔，其結果如圖3［10］、圖4［9］所示。他們的研究結果顯示，在空氣中直接進行表面重熔沒有得到納米晶粒，而在水中進行重熔的，得到了納米晶粒，同時隨著水面與被處理表面距離的增加，重熔再結晶后晶粒趨于更加細化。他們分析其原因主要是在水中激光重熔部分冷卻速度快，奧氏體來不及轉化成馬氏體，并且晶粒也沒有時間長大。按照這個思路，在空氣中進行激光重熔只要能采取有效措施提高冷卻速度，也有望在在材料表層形成納米晶粒結構。另外在圖2所示的實驗中，可能還有一部分類似于激光沖擊的作用效果和快速冷卻作用共同促使納米晶粒的生成。

圖2 激光表面重熔裝置和試件示意圖

圖3 不同處理狀態(tài)下H13鋼微觀結構

圖4 不同處理狀態(tài)下GCr15鋼微觀結構

2.3 激光熔覆表面納米化技術

圖5 3層梯度涂層組織的橫截面及其分層內部的掃描電鏡形貌

圖6 涂層掃描電鏡照片

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它材料，但激光熔覆是通過在基材表面添加熔覆材料，并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。激光熔覆表面納米化技術可以分為2個主要方面：第一方面，是采用類似激光重熔表面納米化的方法，采取相應措施直接在激光熔覆的過程中使熔敷層形成納米晶粒結構。這種方法又有兩種類型，一種是熔敷料和基體成分基本不變，激光熔覆過程熔池的形成和冷卻以物理過程為主，此種方法目前相關文獻較為少見；另一種是在激光熔覆過程中熔敷料和基體，或熔敷料和熔敷料之間相互發(fā)生化學反應生成納米顆?；蚣{米尺寸組織［11-14］，這種原位生成納米結構涂層的方法也是現在表面工程技術的一個熱門研究方向，如CHEN等人利用脈沖激光誘導原位反應技術在Cu合金基體材料上生成了納米級Cr-Ni-Fe-C，MoNi4，Cr7C2，WC1－x等顆粒，陶瓷相平均顆粒直徑小于100nm，如圖5所示［11］；LI等人在TA2基體上激光熔覆預置的Fe3Al-B4CTiN，熔敷后產生納米尺寸柱狀沉淀相和TiB2納米顆粒，如圖6［14］所示。第二方面，是熔敷納米粉末、微納米混合粉末或包覆處理的納米粉末，通過熔敷工藝參量的控制，實現由熔敷材料部分納米顆粒存留而形成的納米涂層，這是目前研究比較多的一種方法。ZHANG，WANG［15-16］等使用包覆處理的納米粉末分別在45＃鋼和1Cr18Ni9不銹鋼表面制備了納米涂層。

2.4 激光沖擊表面納米化技術

激光沖擊強化技術是利用強激光束產生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。激光沖擊表面納米化技術原理見圖7［17］，當短脈沖（ns）的高功率密度（GW／cm2）的激光照射到金屬表面吸收層時，吸收層吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產生高壓（GPa）等離子體，該等離子體受到約束層的約束，產生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內部傳播，在材料表層形成密集、穩(wěn)定的位錯結構，位錯再通過滑移進行塑性變形，而沖擊波在晶界上的反射和折射作用，使得沖擊波在多方向上作用于晶粒，從而位錯進行復雜的滑移、集聚和湮滅后形成新的晶界，形成較小的亞晶和納米晶［18］。同時，使材料表層產生應變硬化，殘留很大的壓應力，顯著的提高材料的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能。激光沖擊表面納米化技術實質上是一個物理過程，應當屬于表面自納米化技術。不過以前的研究絕大多數集中在激光沖擊強化上，認為激光沖擊強化和噴丸強化類似，所以有時也稱之為激光噴丸。而將之作為表面納米化技術，并從這個角度進行深入研究的文獻并不多。LU［19］在其博士論文里討論了激光沖擊LY2晶粒細化的現象并進行了分析，認為激光沖擊可以細化該材料的表層晶粒，并且隨沖擊次數的增加晶粒細化越明顯，但沖擊次數的增加有一個限度，超過此限度，繼續(xù)進行激光沖擊，材料表層晶粒并不發(fā)生明顯的進一步細化。XIONG等人［20］研究了激光沖擊TC11鈦合金材料微觀組織的熱穩(wěn)定性，他們的試驗表明，激光沖擊處理10次后，TC11鈦合金樣品表面形成了一層平均晶粒尺寸為20nm～100nm的納米晶粒，如圖8所示。NIE［18］等人對TC6鈦合金進行了激光沖擊試驗研究，試驗表明，單次沖擊試驗后材料表面出現大量高密度錯位，3次激光沖擊處理后，主要形成100nm～200nm亞微米晶粒，沖擊5次后形成40nm左右的均勻分布晶粒，繼續(xù)增加沖擊次數對晶粒的細化幫助不大，但有助于提高納米晶的均勻程度，實驗結果見圖9。

圖7 激光沖擊原理示意圖

圖8 激光沖擊處理后的納米組織

圖9 不同沖擊次數下TC6表面的微觀組織特征

3 討論與小結

表面處理技術的應用歷史悠久，但表面工程技術從概念提出到發(fā)展成為完整的學科體系的時間較短，到現在也只有幾十年，激光技術和納米技術與表面工程技術相結合的激光納米表面工程技術，雖然其所使用的各種激光表面處理技術，如激光輻照、激光重熔、激光熔覆和激光沖擊，已經有很多的研究資料并取得了豐碩的成果，但專門有針對的運用這些技術，進行表面納米化處理的研究還比較少，并且也沒有系統化，這一領域還有很多的研究工作可做。

首先，各種激光納米表面工程處理技術的納米化機理，有待于進一步深入研究。比如激光輻照，目前極少見到有討論激光輻照表面納米化成因的文獻，激光熔覆制備納米涂層的研究相對較多，但這一方法所涉及到的內容較為繁雜，比如粉末體系、預制涂層的制備、激光熔覆原位生成納米涂層等方面的機理和影響因素又各不相同，到目前也并沒有形成系統的理論。激光重熔和激光沖擊的納米化原理從根本上來說是不同的，激光重熔本質上可以說是非平衡熱處理，這是其納米化的主要原因，激光沖擊則是高壓沖擊波引起的錯位結構通過滑移引起塑性變形造成晶粒細化，這可能是其表面納米化的主要原因。但參考文獻［9］和參考文獻［10］的激光重熔納米化的過程中，由于采用了水下重熔工藝，其實可以認為那層水就相當于激光沖擊處理中的約束層，整個激光重熔的過程也伴有激光沖擊的作用機理，所以激光納米表面工程的過程可能是多因素共同作用的結果，這些機理都有待于進一步研究明確。

其次，使用各種激光納米表面工程處理技術處理不同材料時的工藝參量選擇和優(yōu)化問題，需要進一步研究形成完善而系統結論。進行激光納米表面工程技術的研究，最終還是希望能取得實際應用，比如，如果可以使用激光輻照進行材料表面納米化處理，那其意義將是十分重大的。采用不同激光納米化方法，處理不同材料時，工藝參量的優(yōu)化和選擇是保證激光納米表面工程技術處理的質量和效率的前提，所以有必要對其進行系統而深入的研究。

再次，各種激光納米表面工程處理技術，處理后表面的各種性能，有必要進行系統研究。雖然作為單獨的激光表面處理技術，這方面的研究已經很多，但針對激光處理后形成納米表面的性能研究還比較零散，也比較少。通常認為表面納米化后材料的耐磨性、硬度、耐腐蝕性等都會有相應的提高，但不同材料采用不同激光納米表面工程技術處理后，激光的處理過程對所獲得的表面是否有什么不利的影響，目前還需要進行深入的研究。

最后，各種激光納米表面工程技術的綜合應用，需要進一步研究，就是在進行表面納米化處理時將一種或幾種激光納米表面工程技術組合起來進行。比如，激光重熔后進行激光輻照，激光熔覆后進行激光重熔或者激光重熔后進行激光輻照與激光沖擊等。這樣形成復合的激光納米表面工程處理技術，這又會帶來一系列的需要解決的新問題。

總之，一般認為材料表面納米化處理后，各種使用性能會有不同程度的提高。采用激光處理的方式進行材料表面納米化，相對于其它方式比如機械研磨、鍍敷，物理、化學氣相沉積等有其獨特的優(yōu)勢。本文中較為全面地總結了采用激光表面處理的方式實現材料表面納米化的幾種方法，并提出激光納米表面工程的概念。通過分析以往研究者所做的工作證明，上述各種激光表面處理的方法確實可以實現材料表面納米化。

［1］ LU K，LU J.Surface nanocrystallization of metallic materials presentation of the concept behind a new approach［J］.Journal of Material Science＆Technology，1999，15（3）：193-197.

［2］ XU B Sh，OUW Zh，MA Sh N，et al.Nano-materials surface engineering［J］.China Mechanical Engineering，2000，11（6）：707-712（in Chinese）.

［3］ XU B Sh，LIU Sh C，LIANG X B.Progress and prospect of nanomaterials surface engineering［J］.Chinese Jornal of Mechanical Engineering，2003，10（10）：21-26（in Chinese）.

［4］ LIU G，YONG X P，LU K.The current situation of researches of surface-nanocrystallization on metallic materials［J］.China Surface Engineering，2001，52（3）：1-5（in Chinese）.

［5］ LU K，LU J.Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment［J］.Material Science and Engineering，2004，A38（7）：375-377.

［6］ LIU G，ZHOU L.Surface nanocrystallization technique of the engineering metallic material［J］.Nanoscience＆Technology，2006，3（1）：51-56（in Chinese）.

［7］ WEN H Y.Study of the laser surface treatment of Inconel718 alloy［D］.Qinhuangdao：Yanshan University，2010：39-40（in Chinese）.

［8］ KANNATEY-ASIBU E.Principles of laser materials processing［M］.Hoboken，NJ，USA：Wiley，2009：594-595.

［9］ WANG Ch T，ZHOU H，LIN P Y，et al.Fabrication of nanosized grains by pulsed laser surface melting［J］.Journal of Physics，2010，D43（9）：095402.

［10］ ZHANG P，ZHOU H，WANG Ch T，et al.Wear properties of H13 with micron scale and nano scale grains bionic units processed by laser remelting［J］.Optics＆Laser Technology，2013，54：219-224.

［11］ CHEN SY，DONG J，CHEN J，et al.Nano-particles reinforced Co-based gradient coating with high wear-resistance prepared insitu by laser on surface of crystallizer copper alloy［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38（7）：0703006（in Chinese）.

［12］ NIU X，CHAOM J，WANGW L，etal.In situ synthesized NbC particulate reinforced Ni-based composite coatings by laser cladding［J］.Chinese Journal of Lasers，2006，33（7）：987-992（in Chinese）.

［13］ XU J，LIZ Y，ZHUW H，et al.Investigation on microstructural characterization of in situ TiB／Al metal matrix composite by laser cladding［J］.Materials Science and Engineering，2007，A447（1／2）：307-313.

［14］ LIJNG，GONG Sh L，LIU HAO，et al.Physical properties and microstructures of Fe3Almatrix laser amorphous-nanocrystals reinforced coating［J］.Materials Letters，2013，92：235-238.

［15］ ZHANG G J，DAI J Q，WANG H P，et al.Research on laser cladded nickel based nanometer tungsten carbide composite coatings［J］.Transactions of Materials and Heat Treatment，2004，25（5）：1004-1008.

［16］ WANG H P，ZHANG G J，DAIJQ，et al.The structure ofwcnano／Ni composite coating by laser cladding［J］.Applied Laser，2005，25（6）：369-394.

［17］ MONTROSSC S，WEIT，YE L，et al.Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys：a review［J］.International Journal of Fatigue，2002，24（10）：1021-1036.

［18］ NIE X F，HEW F，LIQ P，et al.Improvement of structure and mechanical properties of TC6 titanium alloy with laser shock peening［J］.High Power Laser and Partical Beams，2013，25（5）：1115-1119（in Chinese）.

［19］ LU JZ.Investigation of laser shock processing on the mechanical properties and micro-plastic deformation mechanism of LY2 aluminum alloy［D］.Zhenjiang：Jiangsu University，2010：64-72（in Chinese）.

［20］ XIONG Ch，LI Zh F，WANG X D.Thermal stability of microstructure of laser shock processed TC11 titanium alloy［J］.Jouranl of Plasticity Engineering，2013，20（3）：116-120（in Chinese）.

Technology of laser nano-material surface engineering

HU Zengrong1，2，TONG Guoquan1，CHEN Changjun2，GUO Huafeng1，ZHOU Liang3，XU Jiale4

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.School of Urban Rail Transportation，Soochow University，Suzhou 215131，China；3.School of Mechanical and Electrical Engineering，Soochow University，Suzhou 215131，China；4.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

The laser nano-material surface engineering（LNMSE）technology is established by combining surface engineering technology，nano technology and laser technology.All the important laser surface treatment methods of LNMSE were introduced.The summarization，analysis and research of the existing literature prove that laser surface treatment methods can get the nano-crystallization surface and get the cladding surface with nano-particles.

laser technique；surface engineering；laser nano-materials surface engineering；laser irradiation；laser remelting；laser cladding；laser shock processing

TG665

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.009

1001-3806（2014）06-0764-07

江蘇省光子制造科學與技術重點實驗室開放基金資助項目（GZ201301）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目（CXLX13_168）

胡增榮（1975-），男，博士研究生，副教授，研究領域為先進制造技術。

*通訊聯系人。E-mail：meegqtong＠nuaa.edu.cn

2013-12-19；

2014-02-17