摘要：主要介绍了激光相变硬化的特点及强化机理、激光表面相变硬化工艺。分析了钢铁材料激光相变硬化后的组织与性能，及近年来激光相变硬化技术在材料科学领域的研究状况。激光技术自20世纪60年代问世以来，在各行业都获得了重要的应用。近年来，激光表面处理技术不仅在研究和开发方面迅速发展，而且在工业应用方面也取得了长足的进步，成为表面工程一个十分活跃的新兴领域。激光表面处理既可以通过激光相变硬化（激光淬火）、表面熔凝改变基体表层材料的微观结构，也可以通过激光熔覆、气相沉淀和合金化等处理方法同时改变基体表层的化学成分和微观结构。其中，激光相变硬化是现有各种激光表面处理技术中研究和应用最多的方法之一。然而目前激光表面相变硬化技术的应用还不象传统热处理技术那样广泛和成熟，但由于其具有独特的优越性而正日益受到人们的重视，已经在机械制造、交通运输、石油、矿山、纺织、冶金、航空航天等领域得到应用和发展。
1激光相变硬化的机理及特点
激光相变硬化是局部的急热急冷过程。由于加热时间短，热影响区域小，硬化层较浅，一般只有0.3一1.0mm。激光相变硬化加热时，表面升温速度可达104～106℃/s，使材料表面迅速达到奥氏体化温度，原有材料中珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织，随后通过自身热传递以106一108℃/s的冷却速度快速冷却，它既可在原晶界和亚晶界成核，也可在相界面和其它晶体缺陷处成核，而在快速加热下的瞬间奥氏体化使晶粒来不及长大，在马氏体转变时，必然转变成细小的马氏体组织；另一方面，激光快速加热，使得扩散均匀化来不及进行，奥氏体内碳及合金元素浓度不均匀性增大，奥氏体中含碳量相似的微观区域变小，在随后的快速冷却条件下，不同的微观区域内马氏体形成温度有很大的差异，这也导致了细小马氏体组织的形成。激光淬火后的马氏体组织为板条状马氏体组织和孪晶马氏体组织，位错密度极高，可达10l2/cm2。研究表明：晶粒细化，马氏体高位错密度，碳的固溶度高是获得超高硬度的主要原因[3]。
2激光表面相变硬化工艺
2.1材料表面预处理
金属材料表面对激光辐射能量吸收能力主要取决于表面状态。一般金属材料表面经过机械加工，表面粗糙度很小，其反射率可达80%一90%，影响金属材料表面吸收光能的效率[4]。为了提高金属表面对激光的吸收效率，在激光硬化前要进行表面预处理，其方法有磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、喷涂涂料法、镀膜法等，其中最常用的是磷化法和喷涂涂料法。在原始表面上覆以吸收激光物质涂层是最有效的一种。这些涂料除了能大大提高吸收率外，还必须具有廉价、无毒、无污染、与基体结合牢靠、干燥快、激光扫描时无反喷、激光处理后清除方便等特点。为此，研制出在激光淬火前能涂覆在被处理金属表面，从而大大提高金属表面对激光的吸收能力的涂料，已成为激光技术能否在工业领域推广应用的一个重要课题[5]。
2.2影响相变硬化层的主要参数及其相互关系
激光相变硬化过程是一个错综复杂的快速加热快速冷却的淬火过程。激光硬化层的尺寸参数（硬化层宽度、硬化层深度、表面粗糙度）和性能参数（显微硬度、耐磨性、组织变化）取决于激光功率密度（激光功率、光斑尺寸）、扫描速度、材料的性质（成分、原始状态）和表面预处理特性等，同时也与被处理零件的几何形状和尺寸以及激光作用区的热力学性质有关。在其他工艺因素不变的条件下，其主要工艺参数有激光器输出功率（P）、扫描速度（V）和作用在材料表面上的光斑尺寸（D），三者的综合作用直接反映了激光淬火过程的温度及其保温时间。三个参数对激光相变硬化效果的影响关系式为：
激光相变硬化层深度（H）ocP/（DxV）
由上式可知，激光相变硬化层深正比于P，反比于D、V，三者可互相补偿，经适当的选择和调整可获得相近的硬化效果[4]。另外，还应考虑各参数值的选择范围，D不能过大，V不能过小，以免冷却速度过低，不能实现马氏体转变。反之，当激光输出功率过大时，容易造成表面熔化，影响表面的几何形状。奥氏体的转变临界温度与材料的熔点之比值越小，允许产生相变的温度范围越大，硬化层深度就越深。
2.3激光相变硬化扫描方式
激光的扫描方式有圆形或矩形光斑的窄带扫描和线形光斑的宽带扫描。窄带扫描的硬化带宽度与光斑直径相近，一般在5～以内。对于要求大面积硬化时，必须逐条地进行扫描，各扫描带之间需要重叠，重叠部分将留下回火软化带，回火软化带的宽度与光斑特性有关，一般均匀矩形光斑产生的回火软化带较小。宽带扫描的宽度可达十几毫米，有效地减少了软化带的不良影响。清华大学刘文今等人[l0]曾用GaAs二元光学器件聚焦后得到线光斑，对45钢凸轮表面进行激光熔凝一合金化的研究，提高了凸轮强化表面的硬度和耐磨性。
3结束语
激光相变硬化技术从开始应用到现在，已经历了30多年的发展历程，应用领域不断扩大。但由于这项工艺的技术含量很高，工艺过程中影响因素太多，设备费用高昂，除了对形状简单、工艺基本定型且批量较大的工件可以专门建立生产线，并可获得稳定的加工质量外，在形状较为复杂的工件中应用仍存在不少问题，基本上还是一种成本高、控制复杂但性能特殊的实验室技术。但是，由于激光相变硬化技术所具有的独特优点，它仍是一项有广泛应用前景的高新技术。随着数值模拟与计算机控制技术研究的不断进展，可适用于各种情况的激光相变硬化工艺实时控制系统的研制也将获得成功，那时必将为激光相变硬化技术全面进入自动化生产线铺平道路。
