8.3.3 激光表面强化技术
20世纪80年代，随着大功率激光器的成熟和应用，世界各国竞相研究开发激光在机械零件制造和维修领域的理论和技术，例如激光表面热处理、激光表面熔凝、激光表面合金化、激光表面熔覆等。20世纪90年代，激光熔覆技术在装备金属零件维修中获得大量成功应用。采用激光对材料表面进行改性或合金化的技术，是材料科学的最新领域之一。
1.激光表面处理的特点
激光表面处理技术相对于其他表面改性技术有更为突出的优点：
1）改性层有足够的厚度，适应工程需要。激光改性层厚度一般在0.10～1.0mm，激光涂敷则可根据需要增加厚度。
2）结合状态良好。激光处理中改性层和基体材料之间或改性层内部都是致密的冶金结合，不会发生改性层和基体之间的脱落。
3）高功率密度的激光。能量集中，适于进行局部表层处理，对零件整体热影响小，因此对一些细长的杆件、导轨和薄片的处理，热影响和热变形都很小。
4）工艺柔性大。激光器本身作为一个独立单元，可用导光系统将激光导向需要处理零件的局部，如深孔、内孔、不通孔、凹槽等。
5）工艺操作简单，而且灵活。激光功率、光斑大小、扫描速度可以随意调节，只要把需处理的零件置于工作台上，配以微机程控系统即可以方便地实现自动化生产。
6）多数情况下可在大气中进行，无环境污染，噪声低，无辐射，无需介质，不会造成公害，可以很大程度地改善劳动条件。
2.激光表面处理技术分类
目前，激光表面强化技术主要针对表面磨损、腐蚀、冲蚀、缺损等零部件局部损伤及尺寸变化进行结构尺寸恢复，同时提高零部件的使用性能。它分为以下几项技术，其中激光熔覆技术是目前工业中应用最为广泛的激光再制造技术。
（1）激光表面淬火 激光表面淬火，是指激光以105～106℃/s加热速度作用在金属表面上，使其温度迅速上升至相变点以上，并通过基体的热传导作用使之以105℃/s冷却速度实现自淬火，从而提高工件表面的硬度和耐磨性。激光相变硬化淬硬层深度可以精确控制，但其深度一般小于3mm。
（2）激光表面合金化 激光表面合金化是采用激光束加热金属表面，并加入一定的合金元素改变金属表面层的化学成分、组织和性能的方法。通过优化激光处理工艺参数和合理选择加入的合金元素，可以在金属零部件表面获得达到设计性能的表面复合涂层，从而提高零部件表面耐磨、耐蚀性能。
（3）激光表面熔凝 激光表面熔凝是采用适当的激光束辐照金属表面，使其表层快速熔化和冷凝，得到具有超细晶组织结构的表层，达到提高材料性能的目的。激光表面熔凝处理可以提高工件的硬度、耐磨性能及疲劳性能等。
（4）激光熔覆技术 激光熔覆兴起于20世纪80年代。激光熔覆技术是指在被涂敷基体表面上，以不同的添料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体金属成冶金结合的涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能的工艺方法。它是一种经济效益较高的表面改性技术和废旧零部件维修与再制造技术，可以在低性能廉价钢材上制备出高性能的合金表面，可以降低材料成本，节约贵重稀有金属材料。激光熔覆技术具有以下特点：
1）激光熔覆层与基体形成冶金结合，强度与原基体强度相近。
2）可在不同基材上熔覆高强度、高熔点金属材料，使表面具有比原基材更好的使用性能。
3）熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶粒细小，无孔洞、无夹渣、无裂纹等缺陷。
4）激光束能量密度高，加工速度快，热影响区域小，工件变形小，后续加工量小。
5）激光熔覆工艺能实现由底层、中间层及面层组成的各具特点的梯度功能材料的熔覆加工。底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点；中间层具有一定强度、韧性和抗裂性好等优点；面层具有好的耐蚀性、耐磨性。