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他成分，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,但作為表面納米化技術尚無人單獨明確提出。

吉林大學 Chengtao Wang、Peng Zhang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。

他們的做法是，如圖2所示，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數(shù)進行試件表面重熔。其結果如圖3、圖4所示。

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（a）空氣中, (b) 1 mm 水層, (c) 2 mm 水層, (d) 3 mm 水層.

圖4 不同處理狀態(tài)下GCr15鋼微觀結構（a）1 mm 水層 , (b) 2 mm 水層, (c)3 mm 水層.

2.3 激光熔覆表面納米化技術

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他材料，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三個主要方面，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。

這種原位生成納米結構涂層的方法也是現(xiàn)在表面工程技術的一個熱門研究方向，如唐陳霞、趙劍鋒等使用不同激光功率照射平均顆粒直徑20nm的SiC粉末壓塊，在表面形成SiC納米晶須如圖5所示。

圖5 原位生成的納米SiC晶須（a）200W （b）250W（c）300W （d）400W

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如圖6所示，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。

聶祥樊等對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(xiàn)大量高密度錯位，3次激光沖擊處理后，主要形成100~200nm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(shù)對晶粒的細化幫助不大，但有助于提高納米晶的均勻程度，實驗結果如圖7所示。

圖6 激光沖擊原理示意圖

圖7 不同沖擊次數(shù)下TC6表面的微觀組織特征

2.5 激光表面刻蝕

紐約羅切斯特大學的研究者們通過用飛秒激光脈沖轟擊普通金屬而研發(fā)出了一種非同尋常的新型表面材料，它可以有效地吸收光能，防水以及自我凈化。

通過超能激光脈沖在金屬表面刻蝕出大量肉眼不及的諸如洼坑、小珠狀和細紋等“痕跡”，這些痕跡形成了密集分布且高低不平的納米微結構。這種納米微結構從根本上改變了金屬表面的光學性質和潤濕性質。

圖 8 飛秒激光在金屬表面刻蝕出的層次結構，水珠從被該技術處理過的樣品表面上滑落

2.6 激光表面納米壓印

普渡大學的博士生和教授開發(fā)出激光震動壓印技術這種技術能夠在室溫條件下創(chuàng)建小至10納米的3D晶體金屬結構，而且其表面十分光滑。

這種方法能夠在一個金屬片上用納米級的3D結構組成大面積的圖案，并可能導致創(chuàng)新性的低成本規(guī)模制造方式的出現(xiàn)，比如“電漿子超穎材料（plasmonic metamaterials）”在先進技術領域的使用。

他們經使用這種技術用鈦、鋁、銅、金、銀等金屬做材料生成了各種納米形狀，比如納米金字塔、齒輪、短板、槽和漁網等，如圖9所示，這些形狀的大小只有人的頭發(fā)寬度的幾千分之一。

這種“震動誘導成型”技術能夠非常精確地定義角度和垂直面。

圖9 幾種激光納米壓印圖案

2.7 其他激光表面納米圖案化方法

其他還有一些材料表面激光納米圖案化的方法，比如激光毛化，激光微納造型等方法。

3 總結

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時間，到現(xiàn)在卻只有幾十年, 激光技術和納米技術與表面工程技術相結合的激光表面納米化技術或也可稱之為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(tǒng)化，而激光表面納米圖案化的發(fā)展尚處于初期階段，所以這一領域還有很多的研究工作可做。