激光表面處理技術(shù)是指一定功率密度的激光束以一定的掃描速度照射到工件的工作面上，在很短時間內(nèi)，使被處理表面由于吸收激光的能量而急劇升溫，當激光束移開時，被處理表面由基材自身傳導(dǎo)而迅速冷卻，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，從而形成具有一定性能的表面層，提高材料表面的硬度、強度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等，可顯著地改善產(chǎn)品的質(zhì)量，提高模具(或工件)的壽命，取得良好的經(jīng)濟效益。
激光用于表面處理有其獨特的優(yōu)點，金屬對激光的吸收系數(shù)高達105~l06cm-1，吸收過程發(fā)生在其表面0.01~0.1μm厚的薄層內(nèi)。激光表面處理的深度取決于由表面向內(nèi)部熱擴散的距離，其值很小，且易于控制。激光光斑的功率密度大，可準確地引導(dǎo)至模具表面的不同部位，或在一定區(qū)域掃描。對工件表面作局部處理，功率密度可準確控制，輸入模具的能量小，模具的變形小，處理后表面可不再進行機加工或只需少量機加工。此外，激光沒有化學(xué)污染，易于傳輸、切換和自動控制。
目前，國內(nèi)激光熱處理已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。GCrl5鋼制沖孔模經(jīng)激光強化處理后，其使用壽命提高了2倍，硅鋼片模具經(jīng)處理后，使用壽命提高了10倍。
激光表面處理工藝包括相變硬化、熔凝、涂覆、合金化、非晶化和微晶化、沖擊強化等。
1．激光相變硬化
激光相變硬化也稱為激光淬火，它是以高能量的激光束，快速掃描工件，使工件表層迅速加熱到奧氏體化溫度，內(nèi)部材料則保持冷態(tài)，隨后通過熱量往基體深部的傳導(dǎo)，使加熱的表層以很快的速度冷卻，得到極細的馬氏體組織，其硬度主要取決于基材奧氏體的含碳量和晶粒度，達到自身淬火的目的。
激光相變硬化的主要目的是在工件表面有選擇性的局部產(chǎn)生硬化帶以減低磨損，以及通過在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力來提高疲勞強度。
激光相變硬化的主要優(yōu)點如下。
1）可得到優(yōu)質(zhì)淬硬，其組織細化，硬度比常規(guī)淬火提高15%~20%。
2）加熱速度極快，工藝周期短，生產(chǎn)效率高，無需淬火介質(zhì)，工藝過程易于控制。
3）對于孔狀及腔筒內(nèi)壁等特殊部位，只要激光束能照射到的均可進行處理。如深孔壁、深溝底及側(cè)面等部位。
4）可進行大型零件的局部表面及形狀復(fù)雜零件的硬化處理。
5）淬硬層深度可以精確控制。
6）熱處理變形小。
激光對金屬的加熱速度極快，奧氏體相變是在過熱度大的高溫區(qū)很短時間內(nèi)完成的，相變形核的臨界半徑小，使得奧氏體形核數(shù)增多。同時，瞬時加熱后的急冷使超細奧氏體晶粒來不及長大，使得殘留奧氏體量增加，碳來不及擴散使殘留奧氏體中碳量增加，隨著奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，得到高碳馬氏體，從而提高硬度。
金屬材料表面對激光輻照能量的吸收能力與激光的波長、材料的溫度和性質(zhì)以及材料表面狀態(tài)密切相關(guān)。激光波長越短，材料的吸光能力越高。隨著溫度的升高，材料的吸光能力也增加。材料的表面粗糙度值越小，其對激光的反射率越高。因而當激光波長確定后，金屬材料對激光的吸收能力主要取決于其表面狀態(tài)。一般需激光熱處理的金屬材料表面都經(jīng)過機械加工，表面粗糙度值很小，其反射率可達80%~90%，使大部分激光能量被反射掉。為了提高金屬表面對激光的吸收率，在激光熱處理前要對材料表面進行表面預(yù)處理（常稱為黑化處理）、即在需要激光處理的金屬表面涂上一層對激光有較高吸收能力的涂料，以提高光束能量的利用效率。表面預(yù)處理的方法包括表面磷化法、表面拉毛法、表面氧化法、噴(刷)涂料法、鍍膜法等多種方法，其中較為常用的是磷化法和噴(刷)涂料法。常用的涂料有石墨、炭黑、磷酸錳、磷酸鋅、水玻璃等，也有直接使用碳素墨汁和無光漆作為預(yù)處理涂料的。
在確定工藝參數(shù)時，首先要分析被加工對象的材料特性、使用條件、服役工況，以確定技術(shù)條件、產(chǎn)品質(zhì)量要求等，從而決定淬硬層的深度、寬度、硬度，由此考慮選用寬帶、窄帶、多模、單模以及掃描形式等因素。
激光相變硬化工藝參數(shù)主要有三個，即激光器輸出功率P、光斑直徑d及掃描速度v。
國內(nèi)用于激光淬火的模具材料有CrWMn、Crl2MoV、Crl2、9SiCr、3Cr2W8V、Tl0A、W6Mo5Cr4V2、Wl8Cr4V等，這些鋼種經(jīng)激光淬火后的組織性能較常規(guī)熱處理普遍改善。
2．激光熔凝處理
激光熔凝處理是利用比激光淬火更高能量密度(104~106W/cm2)的激光束對金屬表面進行掃描，使金屬表層快速熔化，并造成熔化金屬與基體之間很大的溫度梯度，激光移開后，熔化金屬快速冷卻，但并不改變表層的化學(xué)成分。由于表層金屬的加熱和冷卻都異常迅速，故所得的組織非常細密。若通過外部介質(zhì)使表層熔液冷卻速度達到106℃/s，則可抑制結(jié)晶過程的進行，而凝固成非晶態(tài)，稱為激光熔化-非晶態(tài)處理，又稱激光上釉。
熔凝處理可以用來改善材料表面的耐磨性、疲勞強度和耐蝕性，某些模具鋼在高速冷卻結(jié)晶后，可以提高碳化物彌散度，改變合金元素及碳化物分布，因而表面硬度和熱穩(wěn)定性都有所提高，可有效延長模具壽命。如Crl2萊氏體鋼和40Cr5MoV鋼經(jīng)激光加熱，表面熔化，然后超高速冷卻，形成很細的鑄態(tài)組織，使合金元素和碳化物分布均勻，提高了表面硬度。
3．激光涂覆
激光涂覆，是采用激光加熱使材料表面層熔化，同時加入另外的材料成分一起熔化后迅速凝固形成新的合金層，在表面涂覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料。涂覆材料受到基體材料極小的稀釋，基體保持其原有成分及性質(zhì)不變，同時涂覆層晶粒細小、致密,從而提供良好的耐磨損、抗腐蝕能力。
激光涂覆通常有預(yù)置粉末法和噴射粉末法。預(yù)置粉末激光涂覆是在激光處理前，將一定厚度的合金粉末層置于基體之上，這是制造單道掃描涂層的最簡單方法。預(yù)置粉末法對工件的形狀、位置的適應(yīng)性較差，而且不適宜通過多道掃描得到較大面積的涂層。因為第一次掃描已將鄰近區(qū)域的粉末熔化或部分熔化，緊接著在鄰近位置作第二道掃描時，已不存在完整的粉末層。由于基體被粉末層所覆蓋，激光首先加熱粉末。粉末的熱導(dǎo)率很低，在粉末層全部熔化以前，由粉末層向基體的熱傳導(dǎo)可以忽略。粉末層完全熔化以后，激光才通過熔化了的合金層加熱基體。一旦基體表面熔化，二者實現(xiàn)冶金結(jié)合，這樣，激光涂覆過程可以看作是由互相銜接的粉末熔化和基體加熱兩個步驟組成。
噴射粉末激光涂敷法是用惰性氣體將粉末噴向激光和材料的作用區(qū)。在激光的作用下，涂層材料在基材上形成一個熔池，噴射來的粉末附在此熔池的表面并受熱熔化。激光通過此熔池加熱基體，直至其表層熔化，和熔融的合金層實現(xiàn)冶金結(jié)合。與預(yù)置粉末法相比，噴射粉末激光涂覆工藝較為方便、實用，可適應(yīng)各種形狀、位置表面的涂覆，既可用于單道掃描涂覆，也可通過互相銜接的多道掃描實現(xiàn)較大面積的涂覆。噴射粉末激光涂覆法還有利于提高激光能量的利用率。
另外采用激光涂覆方法還可以將一些失效的模具重新涂覆繼續(xù)使用。
4．激光合金化
激光合金化是在高能束激光(104~106W/cm2)作用下，將一種或多種合金元素與基材表面快速熔凝，從而使材料表層具有預(yù)定的高合金特性的技術(shù)，即利用激光改變金屬及合金表面化學(xué)成分的技術(shù)。激光合金化與涂覆是同一種類型的工藝，它們的區(qū)別僅在于：合金化所形成的合金層的成分是介于施加合金與基體金屬之間的某一中間成分，即施加合金受到較大或一定的稀釋。而涂覆則是除較窄的結(jié)合層外，施加材料基本保持原有成分很少受到稀釋。這些區(qū)別可以由被施加材料、施加材料成分、施加形式及量和激光工藝參數(shù)的改變來達到。
激光合金化與熔凝及涂覆之間有共同的特征。即在激光的作用下形成熔池。在表面張力梯度作用下，熔池內(nèi)金屬有劇烈的流動。激光表面合金化的一個重要問題是較易產(chǎn)生裂紋。熔化合金帶冷卻固化時，其收縮受到基體的約束，在合金層中產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力是裂紋和疲勞破壞的根源。激光合金化的裂紋通常是枝晶完全凝固前拉應(yīng)力造成的裂紋，或者是后一次掃描的拉應(yīng)力疊加到前一次掃描帶的殘余應(yīng)力上使總的應(yīng)力超過了材料的抗拉強度造成的。預(yù)熱是減小裂紋傾向的有效方法，也可以采用合金化后的熱處理來消除其殘余應(yīng)力。
