激光淬火技术的应用.doc

光信0801 20081182018 吴梅激光淬火技术的应用激光淬火技术及应用激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.32.0mm范围之间。对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上,由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，华中科技大学配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。现在进行激光熔凝处理的冶金行业各种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导卫、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果显著，取得了很大的经济效益与社会效益。近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用。 1.1 激光淬火的特点 质量优势 技术特质 适用材料 实际应用 1淬火零件不变形 激光淬火的热循环过程快 中碳钢 大型轴类 2几乎不破坏表面粗糙度 采用防氧化保护薄涂层 模具钢 各种模具 3激光淬火不开裂 精确定量的数控淬火 冷作模具钢 模具、刃具 4对局部、沟、槽淬火 定位精确的数控淬火 中碳合金钢 减振器 5激光 淬火清洁、高效 不需要水或油等冷却介质 铸铁材料 发动机汽缸 6淬火硬度比常规方法高 淬火层组织细密、强韧性好 高碳合金钢 大型轧辊 1.2 激光淬火设备 （1）激光器 青岛中发激光技术有限公司的5kW CO 2 横流 激光器GLS-型多功能激光加工系统 ，可实现各类孔类、轴类、法兰类、曲轴类的激光淬火、熔覆、合金化等多项功能，该公司生产的激光器以功率稳定，连续工作时间长等多项优点位居国内激光行业前列。 大族金石凯是高功率激光加工解决方案的专业提供商。主导产品包括：高功率激光器系列、高功率激光焊接成套设备系列、高功率激光切割成套设备系列、激光热处理成套设备系列、香烟激光打孔成套设备系列、激光快速制造设备等四十多种不同型号的激光加工设备及其配套产品。这些产品多拥有自主知识产权，广泛应用于钢铁冶金、石油、金属材料加工、烟草及纸类加工、五金工具、汽车、机械、航空航天、化工、家电制造等行业，为这些行业攻克了多项技术难题，赢得了激光热处理设备、高功率激光焊接设备、香烟激光打孔设备等多个细分市场市场占有率第一。 （2）大型多功能加工机床 激光加工机床的加工的基本尺寸范围为：长 5.5 米，直径 2.6 米。特殊工件，可加工的尺寸范围更大。本激光加工机床为双悬臂加工系统，可进行多工位的激光加工。 （3）六轴四联动数控系统 本机床配置有六轴四联动数控系统，可以对复杂形状工件进行精密激光加工。 1.3 激光淬火效果 激光淬火层的硬度分布曲线激光淬火层的硬度分布 1.4 激光淬火工业应用实例 激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。适用材料为中、高碳钢，铸铁。激光淬火的应用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿命提高23倍。 一、激光硬化（淬火）分类。激光硬化是快速表面局部淬火工艺的一种高新技术。这种方法主要用于强化零件的表面，可以提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。激光硬化可以大幅度提高产品质量，成倍地延长产品的使用寿命，具有显著的经济效益，已广泛应用于各种行业的许多产品上。激光硬化一般分为三种工艺：激光相变硬化，激光熔化凝固硬化和激光冲击硬化。它们共同的理论基础是激光与材料相互作用的规律。三种工艺各自的特点主要是作用于材料上的激光能量密度不同，并且与激光作用于材料上的时间有关。激光表面硬化与常规的硬化工艺比较，其发展历史很短，但从已取得的效果来看，激光硬化处理工艺是一种具有很多特点的表面硬化处理新工艺。其主要特点有：（1）材料表面的高速加热和高速自冷。（2）激光硬化处理后的工件表面硬度高，比常规淬火要高5-20%，可获得极细的硬化层组织。（3）由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及变形小。（4）可以对形状复杂的零件和不能使用其他常规方法处理的零件进行局部硬化处理。同时，也可以根据需要在同一零件的不同部位进行不同的激光硬化处理。（5）激光硬化工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制，自动化程度高，可纳入生产流水线。（6）激光硬化靠热量由表及里的传导自冷，无需冷却介质，对环境无污染。二、激光与材料相互作用的物理过程。激光硬化时，激光与材料的相互作用可根据激光辐照作用的强度和持续时间分为几个阶段：把激光辐照引向材料；吸收激光能量并把光能传给材料；光能转变为热能，加热材料达到快速加热、快速冷却、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破坏；材料在激光辐照后的相变或融化凝固或冲击产生晶格畸变及位错，最终达到硬化效果。激光与材料相互作用的物理过程中，会发生几个效应：能量转换效应，物态变化效应，表面效应，内部效应。三、金属材料在激光辐照下发生变化。金属材料在激光辐照下有超快速加热相变和快速熔凝的特征。激光加热相变完成时间很短，同时加热区的温度梯度很大，因而金属材料中碳化物的溶解和溶入奥氏体中的碳以及合金元素扩散再分布的情况，在激光加热区不同部位之间有很大的差异，即导致奥氏体成分的不均匀性。激光快速加热相变的极大过热度造成相变驱动力很大，使奥氏体的形核数目增多，短时间内完成相变又使得相变形核的临界半径很小，既可在原晶界的亚晶界形核，也可在相界面其他晶体缺陷处形核。同时，瞬间加热后的急冷使得超细晶奥氏体来不及长大，因而激光相变的产物必将获得超细的晶粒度和相变组织。激光相变硬化后的马氏体组织形态一般为极细的板条马氏体和孪晶马氏体。其中，板条马氏体比常规热处理的多，这种组织中的位错密度相当高，且随着功率密度的增加，平均错位密度也增加，板条马氏体为位错胞状亚结构。同样由于快热快冷的原因，使得激光硬化后的残余奥氏体量增加，碳在奥氏体中的含量由于来不及扩散而滞留，随着奥氏体向马氏体的转变，获得高碳马氏体，提高了硬度。四、含碳量及合金元素的影响。激光硬化过程中，金属材料的含碳量及合金元素对处理后的效果有较为明显的影响。众所周知，钢的淬硬性是指在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度。淬硬性主要与钢中的含碳量有关，更确切地说，它决定于淬火加热时固溶在钢的奥氏体中的碳含量，其含碳量越多，淬火后的硬度就越高。合金元素在激光硬化过程中主要对淬硬层深度影响较大，并对表层组织及硬度的均匀性起到一定的作用。大部分合金元素加热溶于奥氏体时，均使奥氏体等温转变曲线向右移动，增大了奥氏体的稳定性而减小临界冷却速度，特别是当碳含量不高时显著降低临界冷却速度。临界冷却速度越小，则奥氏体转变为珠光体的速度越慢，即成核与长大速度减低。在常用的合金元素中，对降低临界冷却速度从而使钢容易淬火的影响来说，以锰为最强烈，其次为钼、铬、铝、硅、镍，再次是其它元素，而钴却反而增加临界冷却速度从而降低淬火效果。当同时加入数种合金元素时，由于相互激发的效应更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性得到显著提高。五、激光硬化工艺。在激光硬化过程中，影响激光硬化效果的因素很多，大体可归为三类：激光器件的影响，基体材料状态的影响，硬化过程工艺参数的影响。激光器件的影响主要包括激光束模式（基模、低阶模、多模）、模式稳定性、振荡方式、光斑形状、光斑能量密度分布状态、波长、输出功率的稳定性、光束的发散度等，一般情况下，激光器选定后，上述参数就基本确定。基体材料的影响主要包括基体材料的化学成分、几何形状、几何尺寸、表面状态和原始组织等。激光硬化过程工艺参数的影响主要包括光斑尺寸、功率输出、扫描速度及表面预处理状态等。激光硬化工艺主要有：连续波二氧化碳激光硬化工艺，脉冲激光硬化工艺。激光合金化技术的应用 激光表面合金化1概述 激光表面会自化，是激光束与材料表面互相作用，使材料表面发生物理冶金和化学变化，达到表面强化的方法。该技术的特点是：一能在材料表面进行各种合金元素的合金化，改善材料表面的性能；二能在零件需要强化部部位进行局部处理。所以对节能、节材，提高产品零件的使用寿命具有重大的意义。 近一二十年来，许多国家和地区投入了大量的人力与物力进行了此项目的研究。在基材方面，除研究了多种黑色金属外，还研究了Al合金、Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。研究重点有如下四个方面。 1）工艺研究。包括工艺方法、合金元素和工艺参数（激光光斑形状与尺寸、功率、扫描速度）的选配等研究工作。 2）理论分析。激光表面合金化的传热、传热数学模型计算。 3）合会层的组织与性能研究。重点侧重于耐磨性循研究。有的也进行了耐腐蚀及抗氧化的研究。 4）应用研究。如在排气阀门、阀座、高速钢刀具及汽车活塞等零件上的应用。 2激光表面合金化的强化机制 1.合金层硬度 以WC/Co为添加粉末合金化后，主要获得M6C型碳化物，硬度约为1300HV，由于碳化物量很流，呈细网格分布，基体又为马氏体组织，所以表面硬度达1000HV以上。 Cr3C2合金化以后，组织特征为基体上分布分布着网状碳化物，析出的碳化物为M7C3型，这种碳化物硬度高达2100HV，由于合金碳化物在基体中分布较稀。故表层硬度也只有1000HV左右。 在WC/Co中加入Ni粉以后，合金层中碳化物类型并不发生变化，但基体中出现奥氏体。Ni的加入量越多，奥氏体量越高。硬度也随着下降。激光表面合金化，可以根据合金化成分构控制，得到高硬度的合金层。 2. 激光表商合金化的磨损性能 静载滑动磨损时，在单束斑扫描条件下，以WC/Co合金化时的耐磨性比45钢（淬火态），提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr提高12倍。宽带扫描时，用WC/Co合金化后，耐磨性提高28倍。 在冲击磨损条件下，合金化后材料的耐磨性也有很大的提高。WC/Co合金层的耐磨性相当于45钢（淬火态）的6倍。在C/Co中加入Ti20(质量分数，下同）和TiC30后，耐磨性也分别提高3仿与5倍。 激光表面合金化的强化机制，是相变硬化、固溶强化和碳化物强化的综合强化结果。WC/Co合金化后基体为马氏体，M6C型碳化物的硬度为1300HV左右，在磨损时，将首先选择性磨损马氏体基体，碳化物渐渐露出磨面，由于碳化物网的支撑作用，所以合金化展表现出极高的耐磨性。 在Cr3C2/Ni-Cr的合金化层中，基材含有较多奥氏体；硬度较低（600800HV）。在磨损时，基体磨损很快，但一显露出网状碳化物后，因其碳化物M7C3硬度很高（2100HV），就起了很好的支撑作用。呈现了较好的耐磨性。 激光表面合金化的强化，应是相变硬化、固溶强化和碳化物第二相强化的综合效果。而合金层能获得超出基体材料的硬度及大幅度提高耐磨性，主要是碳化物第二相强化的结果，所以在以耐磨性为目的的合金化研究中、碳化物第二相强化是最主要的强化机制。 3激光表面合金化的应用 北京机床研究所张魁武等人，用复合合金粉末激光合金化处理的45钢基无心磨床托板，在生产车间使用，比原来CrWMn钢淬火的托板寿命提高34倍。 重庆大学、北京工业大学等单位采用激光表面合金化工艺，用于电地冲棒、无缝钢管穿孔顶头及泥浆泵叶轮等零件的处理，都取得了很好的效果。北京机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、螺母攻丝机料道、轴承扩孔模、冲材模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究，都取得了很好的效果。拨叉，料道使用寿命提高10倍以上。冲材模、排粉机叶片使用寿命提高23倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽强化，经装车试验，运行14.2万km以后拆检结果，头道环槽的侧隙仅为0.11mm，如果减去0.040.05mm的原始侧隙，则环槽最大磨损量仅有0.07mm。所以激光表面合金化用于铝合金的强化是十分有效的。激光毛化技术的应用激光毛化技术是采用高能量、高重复频率的脉冲激光束在聚焦后的负离焦照射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦后的聚焦点入射到轧辊表面形成微小熔池，同时由侧吹装置对微小熔池施于设定压力和流量的辅助气体，使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积到融池边缘形成圆弧形凸台（峰值数）。 激光毛化是一种用于轧钢生产的现代高新技术。激光毛化是世界上新近发展起来的冷轧钢辊毛化新技术。激光毛化轧辊具有比喷丸毛化螺丝更长的使用寿命，在轧板过程中能提高轧制速度，减少版面擦伤，改善版型，在板卷退火中防止粘连，能显著提高工厂的生产率和产品质量。YAG激光毛化设备及加工方法已经成熟运用在钢铁、冶金的精密带钢、冷轧薄板、镀锌板、镀锡板、不锈钢板带上。应用激光毛化技术对轧辊能够提高轧辊使用寿命、减少辊耗，降低退火粘连缺陷，对板、带能够提高产品冲压性能、改善表面涂漆附着力，增加光亮度，减少黑带现象产生等。激光毛化技术目前已经广泛应用于汽车、建筑、家电及电子、轻工及国防等领域，为国家和企业创造了数十亿元的经济效益，应用我所技术的企业不仅提高了其产品档次和竞争力，而且多家的毛化板带实现出口创汇。 激光毛化冷轧辊技术是八十年代在世界上才发展起来的生产优质冷轧薄钢板新技术。由于激光毛化技术在加工方法上、在提高成型性能和涂镀后光亮度以及综合生产成 本方面都比其它毛化方法具有更大优越性，因此激光毛化技术一问世便受到钢铁企业和使用部门的高度重视， 优质冷轧薄板和薄带不仅需要优良的材质，而且对薄板表面质量（如表面粗糙度和形貌）有严格的要求，才能确保薄板优良的成形性能和表面涂镀性能。激光毛化汽车板由于涂漆后反射映像光泽度高，在国外被称为“镜面钢板”，是生产高级轿车面板的优质板材。因此，激光毛化冷轧薄板（带）是汽车、家电、电子和轻工业生产需求的重要原材料。 激光毛化技术基本原理 其特点是利用经过特殊调制的高能量密度（104106W/cm2）、高重复频率（每秒数千至上万）的脉冲激光束在聚焦后入射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦点处轧辊表面形成微小溶池，同时由侧吹装置对微小溶池施以设定压力、流量、方向的辅助气体，使溶池中的溶融物按指定要求尽量堆积到溶池边缘形成圆弧形凸台。这些预热区、微坑、凸台在轧辊自导热的作用下迅速冷却形成硬度强化区。然后在薄板轧制或平整过程中，轧辊表面上的凸台在板面上再形成若干变形硬化质点（微坑），以形成激光毛化板。这种新型表面结构是在不降低原材质表面韧性的情况下，由无数微小均布的强化点对表面实行针轧，从而在辊、板表面实现刚柔并济的表面结构。这种表面结构的优点主要表现在以下方面： 1)激光毛化在轧辊表面形成均匀分布的圆弧形凸台，其硬度、强度都明显高于其它毛化方式。并能有效的避免轧辊残余应力集中、韧性降低等现象，延长轧辊使用寿命。 2)在轧制过程中，改善辊与板间摩擦（增加摩擦力）和接触条件以有利于轧制工艺顺利进行（可增大轧机压下量和轧制速度），减少擦伤和粘连，改善板型，提高板面质量。 3)在板材成型过程中，板面微坑有储油和冷却作用，改善板与磨具间的摩擦和接触条件（减小摩擦、增加润滑），以利于材料流动，使成型工艺易于进行。同时，板面微坑可容纳成型过程中产生的金属屑，减少成型表明划伤，提高工件质量。可增强板面对涂层的附着力和提高成形件表面涂漆光亮度，增加产品的附加值。 激光毛化的特点 激光毛化钢板表面的小凹坑不连通，有利于在后期冲压成型时储油和捕捉金属碎屑，储油性好，防止冲压划伤，保证了钢板的深冲性。并使冲压零件表面光整，同时减少冲压用油。 辊面的激光毛化形貌均匀、可控，平滑面占整个毛化面的60% ，使轧制出的钢板的板面平坦度高，提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。为用户增加了产品的竞争能力，可生产激光镜面钢板 (Laser Mirror Steel) 。 激光毛化钢板表面粗糙度均匀、排列规则、形貌可以预控、重复性好、粗糙度调节范围大。可以根据用户需要做特殊设计，开发新品种，如印花板面等。 激光束在对轧辊毛化的同时还具有对其表面进行强化的作用，可提高轧辊使用寿命，减少换辊量和轧辊消耗，提高轧机生产效率。 CO2激光毛化形貌的辊板转换状态一般是凹坑的复印率为20% ，凸台的复印率为80% ，由于CO2激光毛化起作用的主要是凸台部分，所以激光毛化转换率高，不易堵塞，毛化效果好，过钢量高。 毛化粗糙度调节灵活，可适应多品种开发和生产。 占地面积小，地基简单。 加工效率快。一根轧辊（5001780mm）的加工时间在3040分钟内。 自动化程度高，功能丰富。数控点加工，加工异形轧辊可先仿形后毛化。 运行稳定、加工质量高。 作业消耗的费用低，作业介质安全。 环保型生产，无“三废”污染。 YAG激光毛化编“YAG激光毛化轧辊技术及应用”是力学所杨明江研究员及其研究团队的一项技术发明，曾获1994年度中国科学院科技进步一等奖、1997年度中国专利发明创造金奖、2007年度国家技术发明二等奖。激光毛化轧辊技术已在全国十余个省市推广使用，除了应用于金属板(带)的冷轧辊外，还可以应用于印刷辊的图形刻蚀、汽缸体的激光珩磨、重载机车的轮轨处理等等。我们将分三次介绍激光毛化表面改性的力学机理、技术特点。干嘛要采用YAG激光技术？激光毛化就是采用高重频的高能激光束使辊面材料快速熔凝，形成按一定方式排列的直径为一百微米量级，深度为几十微米量级的微坑。其实，人们曾使用过不同的技术途径使辊面毛化，例如喷丸、电火花等。图1，2分别是喷丸毛化板和电火花毛化板的表面形貌。显然，它们的微坑不是孤立的，其间存在有微沟道，板面在深冲时，表面润滑油容易被挤压、流失，板面大变形区易起皱开裂。激光毛化克服了上述缺点：板面上分布着密度很高而且彼此分立的毛化坑，能有效保存润滑油，犹如在板面覆盖了一层微小的液体轴承，使板材成型时材料易于流动，不仅能减少起皱开裂现象，而且能提高板材深冲成型性能；其次，YAG激光束通过柔性的光纤导出，并可利用电子技术方便地进行调节与控制，可以按照任务需要实现各种不同的结构、形貌。图3给出一些激光毛化辊表面形貌的实例，说明YAG激光毛化技术有广泛的适用性。那么，什么是YAG激光毛化技术呢？这是从激光光源的种类来划分的。YAG是掺钕钇铝石榴石晶体固体激光器的 “小名”，好读又好记，人们常常忘记掉那个又长又拗口的学术“大名”。目前，世界上用于生产的激光毛化技术有两种，CO2激光毛化和YAG激光毛化。CO2激光毛化是八十年代由比利时研发的，它采用2-3千瓦的高质量基模CO2气体激光器(波长10.6微米)，经过高速转动的斩波器机械斩波产生脉冲激光对轧辊进行毛化，设备体积庞大，造价高，维修要求苛刻。力学所根据我国激光技术发展水平和工厂技术经济状况，没有因循国外技术路线，决定另辟蹊径：研发YAG激光毛化技术。这是因为YAG激光波长短(1.06微米)，金属对YAG激光的吸收率高，200-400瓦的YAG激光器就能满足毛化所需的能量；同时由于波长短，聚焦光斑就小，可实现高密度毛化，从而可以满足精密板带毛化需要。YAG激光脉冲的形成采用电控的声光开关节调制，不仅重复频率高，而且可通过计算机控制，实现多种形貌和分布毛化，满足多种产品毛化要求。YAG激光毛化不仅性能先进，而且整机制造成本仅为CO2激光毛化的几分之一，便于在钢厂广泛推广，见图5所示。YAG激光毛化也是国外众多研究者想实现的愿望，但通过实验，他们认为YAG激光器功率低，无法实现工业化生产应用。问题的结症在哪里呢？力学所研究者通过仔细的理论计算，证明声光调制的光脉冲能量足够的，但常规声光调制的光脉冲峰值太高(达108w/cm2)，打在辊面上产生了强烈的等离子羽，从而屏蔽了后继光能的进入，使毛化粗糙度达不到要求。在明瞭了其中的物理机制后，力学所研究出特殊的高重频声光波形式调制技术，将YAG激光脉冲的工作点从常规的气化为主的A区调整到熔化为主的B区(参见图6)，同时让光波形的功率密度变化与辊面熔池的温度升高变化相适应，大大提高了光能量耦合效率而使吸收率增加。使相同功率的YAG激光器对辊面毛化粗糙度提高3倍，毛化速率(即毛化频率)提高2-3倍。1994年，世界上首台YAG激光毛化装备在天津市冷轧薄板厂实现了规模生产应用。所以，科学道理并不总是深奥莫测的，只要一经点拨往往就豁然开朗。当然，真正在技术上实现这个思路，是要花费力气的。如果你对YAG激光毛化轧辊技术的发明点感兴趣的话，不妨联系杨明江研究员具体探讨相关细节。激光熔覆技术的应用激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技 术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。 激光束的聚焦功率密度可达101012W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。 目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。 最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，金属材料的失效（诸如腐蚀、磨损、疲劳等）大多发生零部件的工作表面，需要对表面进行强化。为满足工件的服役条件而采用大块的原位自生颗粒增强钢铁基复合材料制造，不仅浪费材料，而且成本极高。另一方面，从仿生学的角度考察天然生物材料，其组成为外密内疏，性能为外硬内韧，且密疏、硬韧从外到内是梯度变化的，天然生物材料的特殊结构使其具有优良的使用性能。根据工程上材料特殊的服役条件和性能的要求，迫切需要开发强韧结合、性能梯度变化的新型表层金属基复合材料。因此，利用激光熔覆的方法制备与基材呈冶金结合的梯度功能原位自生颗粒增强金属基复合材料不仅是工程实践的迫切需要，也是激光表面改性技术发展的必然趋势。激光熔覆技术制备原位自生颗粒增强金属基复合材料、功能梯度材料已有报道，但大部分停留在组织、性能分析，工艺参数的控制阶段，增强相的尺寸、间距和所占的体积比还不能达到可控制的水平，梯度功能是通过多层涂覆形成的，不可避免地在层与层之间存在界面弱结合的问题，距离实用还有相当长的路。利用激光熔覆技术制备颗粒大小、数量、分布可控，强韧性适当匹配，集梯度功能和原位自生颗粒增强为一体的金属基表层复合材料是今后重要的发展方向。研究内容涉及到： 熔覆材料成分、组织、性能设计的技术、手段和原理及其工艺实现的控制技术。 激光熔覆制备功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料颗粒增强相析出、长大和强化的热力学和动力学模型的建立。 颗粒增强相形态、结构、功能和复合的仿生设计和尺寸、数量、分布的控制技术。 涂层成分、组织和性能梯度控制的原理、关键因素和工艺方法的研究。 宏观、微观界面的观察、分析控制和表征；功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料常规性能的分析和检测以及不同工况下的磨损行为及失效机制。 这些研究内容的突破，有可能解决涂层与基体相容性不匹配，易于产生裂纹的问题，促进激光熔覆技术应用领域的拓宽。激光熔凝技术的应用激光熔凝原理激光熔凝也称激光熔化淬火。激光熔凝是用激光束将获得工件表面加热熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性能的表面改性技术。激光熔凝原理与激光非晶化基本上相一致。但激光熔凝处理时激光的能量密度和扫描速·度均远小于激光非晶化。激光熔凝与激光合金化不同，它在表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合；在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀