一、前言

以航空航天、新能源、軌道交通為代表的高端裝備對使用部件的表面性能要求極高，感應、噴涂、噴丸、滾壓等常規(guī)表面強化手段已難以滿足高性能裝備的應用需求。激光技術(shù)在改善金屬材料的表面性能、突破傳統(tǒng)改性技術(shù)應用約束等方面潛力突出，被視為現(xiàn)代工業(yè)的“萬能加工工具”“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”。激光表面改性技術(shù)利用激光的高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特征，通過改變金屬材料表面的組織結(jié)構(gòu)和化學組成來對材料表面進行改性或合金化，進而達到改善材料表面性能的目的。在低成本材料表面制備低價格、高性能的表面涂層，對于重要零件材料及其性能的選擇匹配與設計制造具有重要意義。

作為一種表面工程普適性技術(shù)，激光表面改性技術(shù)面向我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重大需求，直接服務于重大裝備高端部件的性能提升與國產(chǎn)化制造，具有廣泛的適用范圍和良好的應用前景。常規(guī)的激光表面改性技術(shù)有：激光淬火、激光退火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆、激光沖擊強化、激光上釉、激光表面微結(jié)構(gòu)化等。其中，以激光沖擊強化、激光淬火、激光熔覆最為典型，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。激光沖擊強化技術(shù)具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強、強化效果顯著的優(yōu)點。經(jīng)激光淬火后的材料，其表面強度比常規(guī)淬火提高 5%~20%，淬火層深度可達 1 mm，因此激光淬火具有加熱速度快、熱影響區(qū)小、熱變形小和可局部實施的優(yōu)點。激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好等優(yōu)點。

本文系統(tǒng)梳理激光沖擊強化、激光淬火、激光熔覆等典型的激光表面改性技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合產(chǎn)業(yè)應用需求剖析技術(shù)發(fā)展面臨的問題，總結(jié)領域技術(shù)重點發(fā)展方向并提出后續(xù)發(fā)展建議，以期為我國激光表面改性技術(shù)研究提供參考借鑒。

二、激光表面改性技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）激光沖擊強化技術(shù)

激光沖擊強化技術(shù)在航空航天、船舶、汽車、石油化工、核工業(yè)和高端模具等裝備制造領域獲得了較多應用。據(jù)統(tǒng)計，在航空航天和船舶領域，49% 的燃氣渦輪發(fā)動機構(gòu)件損傷是由疲勞失效引起的，而葉片、機匣和傳動部件是最容易發(fā)生疲勞斷裂的零部件（見圖 1 和圖 2）。激光沖擊強化技術(shù)成為改善發(fā)動機關鍵零部件疲勞壽命的必要手段。

圖 1 燃氣渦輪發(fā)動機失效方式占比分布

圖 2 燃氣渦輪發(fā)動機部件對高周疲勞的敏感性占比分布

工業(yè)發(fā)達國家在早期紛紛開展了激光沖擊強化技術(shù)的研究，目前美國仍是激光沖擊強化技術(shù)發(fā)展最快、應用最成功的國家。美國在 20 世紀 90 年代后期提出的“高周疲勞科學與技術(shù)研究”計劃，將激光沖擊強化技術(shù)列為先進航空發(fā)動機的 76 項關鍵技術(shù)之一。2012 年，美國金屬改性公司（MIC）研制了移動式激光沖擊強化設備以解決現(xiàn)場作業(yè)難題。美國通用電氣公司（GE）面向市場需求推出了用于大型薄壁件加工的激光沖擊強化設備，廣泛應用于發(fā)動機葉片 / 葉盤、機翼等結(jié)構(gòu)件的表面強化。

20 世紀 90 年代，國內(nèi)開始了激光沖擊強化方面的技術(shù)研究和應用探索。隨著激光器技術(shù)的快速發(fā)展、相關理論的不斷成熟，我國激光沖擊強化技術(shù)的工程應用規(guī)模逐漸擴大。2008 年第一條擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光沖擊強化生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，中國成為世界上第二個取得該技術(shù)實際應用的國家。2011 年，中國科學院沈陽自動化研究所研制了我國第一臺工業(yè)應用級整體葉盤激光沖擊強化系統(tǒng)。2016 年，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所在隨動式激光沖擊強化技術(shù)方面取得突破，實現(xiàn)了對齒輪、機電腔體、刀具、微細結(jié)構(gòu)等復雜零件的處理。江蘇大學在高端金屬激光沖擊梯度納米結(jié)構(gòu)形成機制、抗疲勞制造機理、典型結(jié)構(gòu)沖擊強化工藝和應用等方面完成了系列化研究。

（二）激光淬火技術(shù)

激光淬火技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家的應用已經(jīng)普遍化和成熟化。例如，諸多汽車制造商都建立了激光表面淬火生產(chǎn)線，通過激光表面改性來提高汽車零部件的耐磨性；采用激光淬火增加船用柴油機氣缸套內(nèi)壁的耐磨性，對重載大齒輪進行激光表面淬火處理來規(guī)避常規(guī)熱處理工藝可能造成的大變形、高污染問題。

我國激光淬火技術(shù)應用起步于20世紀80年代，先期在汽車發(fā)動機氣缸體、缸套等零部件方面開展應用；經(jīng)過多年發(fā)展已拓展應用于航空航天、能源、石化、冶金等工業(yè)領域，對軸體類、套筒類、齒輪類、葉片類、模具等零件均取得良好的強化效果。采用較大光斑的激光束對 65Mn 彈簧鋼表面進行淬火，硬化層深度約為 0.3 mm，硬化層硬度可達基體的 4.2~5.4 倍。對卷取機卷筒主軸40CrNiMoA 鋼表面進行激光淬火，磨損量僅為基體的 36.1%。通過激光淬火對 35CrMo 合金結(jié)構(gòu)鋼回轉(zhuǎn)軸截面突變處進行局部強化，表面殘余壓應力是未處理前的 1.9 倍。針對鋼軌在與高速運行輪對的摩擦配副過程中的損傷問題，華中科技大學、武漢新瑞達激光工程有限責任公司等單位開展了鋼軌激光淬火強化技術(shù)研究，研制了國際上首臺鋼軌激光淬火強化工程車，獲得正式定型并通過性能考核。為了解決兆瓦級風力發(fā)電機的主軸軸承在極端環(huán)境（重載磨損、高沖擊、高鹽等）下的可靠服役問題，浙江工業(yè)大學發(fā)展了激光深層淬火技術(shù)，將激光淬火層深度提高到 3.7 mm，有效提高了零部件在復雜環(huán)境下的抗疲勞、抗磨損性能（見圖 3）。

圖 3 重載軸承的激光深層淬火

（三）激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)產(chǎn)生于 20 世紀 70 年代，美國AVCO 公司率先開展汽車發(fā)動機易磨損零部件的表面強化應用。目前，相關技術(shù)在汽車、動力裝備、軌道交通等領域得到廣泛應用。日本、美國企業(yè)將激光增材再制造技術(shù)商業(yè)化，批量修復了軍用飛機發(fā)動機的磨損失效零件，節(jié)約經(jīng)費并提高了修復效率 。在汽車工業(yè)領域，采用激光熔覆技術(shù)對汽車曲軸進行表面修復，獲得了與曲軸表面結(jié)合緊密且性能良好的熔覆涂層。德國發(fā)展了超高速激光熔覆技術(shù)（EHLA），可在短時間內(nèi)完成大面積涂層的快速制備，熔覆層厚度在 0.1~0.25 mm 范圍可調(diào)，生產(chǎn)速度比傳統(tǒng)激光熔覆提高 100~250 倍，可取代電鍍、熱噴涂、堆焊等傳統(tǒng)技術(shù)。

20 世紀 80 年代以來，我國激光熔覆技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)從實驗室研究擴展到工程實際應用，如航空航天、動力裝備、機械工業(yè)、石油化工、汽車等行業(yè)。機械科學研究總院集團有限公司、哈爾濱工業(yè)大學與國外機構(gòu)進行聯(lián)合研發(fā)，實現(xiàn)了超高速激光熔覆技術(shù)的工程應用。西北工業(yè)大學開展了鈦合金零件的激光修復研究，成功修復了航空零部件。浙江工業(yè)大學將激光熔覆技術(shù)應用于汽輪機葉片強化和汽輪機轉(zhuǎn)子修復，對失效轉(zhuǎn)子進行回收和再制造利用，延長轉(zhuǎn)子使用壽命約2~3 倍（見圖 4）。激光熔覆技術(shù)大量應用于機械工業(yè)中的軸承、曲軸、模具、螺桿、刀具等易損易耗零部件。例如，以激光熔覆技術(shù)對天然氣凈化廠汽輪機氣缸變形位置進行現(xiàn)場修復，消除了氣缸漏氣現(xiàn)象；在 45 鋼曲軸連桿軸頸上激光熔覆鐵基合金粉末，形成相當于基體 2~3 倍硬度的熔覆層，解決了曲軸軸頸易出現(xiàn)裂紋和過度磨損的問題。

圖 4 經(jīng)激光表面強化后的汽輪機葉片

三、我國激光表面改性技術(shù)面臨的問題

（一）基礎理論研究不夠深入

我國激光表面改性技術(shù)的研究歷程相對較短，加之重應用、輕機理，使得這一方向的基礎知識和理論研究不夠深入透徹，如基于遠平衡態(tài)的激光與材料表面相互作用的材料物理冶金機制、晶粒生長機制及缺陷形成機制等。

在專用熔覆材料方面，目前多數(shù)應用仍然沿用熱噴涂粉末。由于熱噴涂與激光束作用是兩種完全不同的物理冶金過程，相關材料實際上不適用于激光表面強化與再制造，由此帶來的氣孔、開裂現(xiàn)象難以避免。

（二）裝備核心部件國產(chǎn)化程度不高

目前，國內(nèi)在高質(zhì)量激光表面改性方面所采用的激光器多為進口產(chǎn)品，主要是進口激光器的工作可靠性和穩(wěn)定性更好。一方面，進口產(chǎn)品的采購周期較長，往往對國內(nèi)相關技術(shù)的發(fā)展和研究產(chǎn)生較大的影響；另一方面，激光芯片、激光器、激光頭、控制軟件等核心部件國產(chǎn)化水平相對較低，產(chǎn)業(yè)發(fā)展受制于人的現(xiàn)象沒有消除。

面向未來，激光表面改性將成為主流的制造技術(shù)，智能化、極端化和高性能化是發(fā)展趨勢。突破高效率、高質(zhì)量激光發(fā)生器的國產(chǎn)化研制難題，構(gòu)建激光表面改性專用裝備集成技術(shù)體系，加強批量生產(chǎn)能力并實現(xiàn)產(chǎn)品化發(fā)展，將是支撐我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要挑戰(zhàn)之一。

（三）應用市場規(guī)范化與技術(shù)標準化存在差距

國內(nèi)激光表面改性技術(shù)的應用仍處于“小而散”的狀態(tài)，在企業(yè)規(guī)模、研發(fā)投入、產(chǎn)品成熟度、市場開發(fā)、材料研發(fā)等多個方面都與國外存在不小差距。

1. 技術(shù)熱點

國外較多關注再制造生產(chǎn)過程中的綠色生產(chǎn)和質(zhì)量控制，相關研究集中在綠色清洗和無損檢測技術(shù)方面。國內(nèi)發(fā)表的激光表面熔覆技術(shù)工藝研究論文較多，近期在再制造方向孵化出了一批應用型企業(yè)；相關研究與應用集中在毛坯損傷修復成形（屬于外形恢復的初級階段），而有關修復性能、缺陷檢測等質(zhì)量保障技術(shù)存在較大差距，工藝規(guī)范和標準明顯缺失。

2. 制造業(yè)應用

國外激光熔覆技術(shù)已經(jīng)具有了相當?shù)墓I(yè)體量，重點圍繞汽車、航空航天、海洋工程裝備等高端零部件的再制造與表面改性實施應用。國內(nèi)則主要應用在礦山機械、模具行業(yè)、鋼鐵冶煉、石油化工、煤炭綜采、汽車零件等“量大面廣”的基礎件修復與耐磨耐蝕性能改善。我國激光表面改性產(chǎn)業(yè)現(xiàn)已初具規(guī)模，但在重大、高端裝備的應用方面尚顯不足。

3. 產(chǎn)業(yè)規(guī)模

歐洲多家大型激光表面改性企業(yè)不僅完成了在歐洲的市場布局，還通過代理商模式完成了在我國主要城市的市場布局。從商業(yè)模式看，歐洲企業(yè)注 重生產(chǎn)設備與加工服務相結(jié)合，實際發(fā)展也證明這是推進激光表面熔覆技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的有效形式。相比之下，國內(nèi)激光表面強化企業(yè)尚未走出國門來拓寬海外市場，在激光制造技術(shù)及裝備的自主創(chuàng)新發(fā)展方面存在不少短板，商業(yè)運作模式有待優(yōu)化，核心競爭力有待提升。

四、激光表面改性技術(shù)的重點發(fā)展方向

（一）激光表面改性專用合金材料制備技術(shù)

激光表面改性（尤其是激光熔覆）的過程是在高溫遠平衡凝固條件下進行的，析出、相變與常規(guī)條件下的演化過程差異甚大。在無法實施后處理的情況下，為了獲得硬質(zhì)相的析出，需要異常高的過飽和度，這既是高性能的保障，又是產(chǎn)生非預期應力和開裂的主因。研制不易產(chǎn)生缺陷的高性能合金材料配方是激光表面改性技術(shù)實現(xiàn)大范圍工業(yè)應用的首要條件。探索基于遠平衡態(tài)的專用材料設計理論及科學配比方法，建立各類專用材料體系，為激光表面改性技術(shù)的拓展應用提供關鍵的基礎支撐。

（二）多能場激光復合表面改性技術(shù)

高端裝備制造業(yè)對于關鍵零部件表面性能的要求持續(xù)提高，傳統(tǒng)的以單一激光作為熱源的表面改性技術(shù)面臨發(fā)展瓶頸。多物理場協(xié)同作用的復合改性技術(shù)在對激光表面改性過程中的傳熱傳質(zhì)行為進行靈活調(diào)控方面顯示出了獨特優(yōu)勢。相應的重點發(fā)展方向包括：超音速激光復合沉積、電場 – 磁場協(xié)同的激光表面改性、激光 – 感應復合表面改性、激光 – 超聲振動復合表面改性、激光 –（電）化學復合表面改性、多層梯度復合改性等。此外，深入研究多物理場協(xié)同作用對于激光表面改性非平衡過程的影響機理，建立復合場工藝、激光工藝和改性層性能之間的關系模型。

（三）面向現(xiàn)場的激光再制造技術(shù)

面向企業(yè)現(xiàn)場存在的大型機械不易拆卸、運輸困難等問題，研制方便靈活的移動式激光再制造成套裝備。突破高功率、寬光斑、高穩(wěn)定性的大面積連續(xù)激光再制造工藝技術(shù)，拓寬激光再制造工藝窗口；通過過程控制縮短再制造時間，提高激光再制造層的沉積精度來降低表面粗糙度、減少后續(xù)加工量，實現(xiàn)修復層性能等于或優(yōu)于原工件。

（四）激光沖擊強化控形控性技術(shù)

航空發(fā)動機關鍵部件的激光沖擊強化（LSP），兼顧“性能”“形狀”要求較為困難，這是當前面臨的技術(shù)瓶頸問題。為了推進LSP技術(shù)的普及發(fā)展，可在以下方面開展工作：攻關激光沖擊強化控形控性技術(shù)，同時滿足航空發(fā)動機關鍵部件的性能、尺寸精度以及形狀表面完整性的技術(shù)要求；設計更高效率的新型能量耦合裝置，降低激光器的輸出要求，突破無需預鋪設吸收層且對邊緣效應不敏感的隨動型激光沖擊強化技術(shù)；研究新型激光沖擊強化工藝的基礎規(guī)律，開展管道、狹窄空間內(nèi)壁的激光沖擊強化處理應用；研制長壽命、高可靠、智能化激光沖擊強化專用裝備，實現(xiàn)多類工程化應用；建立系列工藝規(guī)范。 

（五）激光表面改性智能化技術(shù)

激光表面改性涉及多學科交叉，目前國內(nèi)激光表面改性智能化控制技術(shù)處于起始階段。重點發(fā)展方向包括：通過光學、機械、電氣、材料、工藝、制造、控制、信息、網(wǎng)絡等學科知識的深度融合，連接上下游研究機構(gòu)和企業(yè)進行協(xié)同攻關；突破對溫度、材料、尺寸位置、表面質(zhì)量的智能化控制技術(shù)，建立激光表面改性專用材料庫及工藝數(shù)據(jù)庫；開展激光表面改性成套設備的集成及系列化工作，具備智能化生產(chǎn)能力。

（六）激光表面微結(jié)構(gòu)化技術(shù)

應對多功能、多尺度、高效率、高質(zhì)量、高精度等產(chǎn)品綜合性能的需求，利用短脈沖、超短脈沖激光制備功能表面微結(jié)構(gòu)，成為當前制造科學的研究前沿。脈沖激光織構(gòu)技術(shù)利用激光的高能量峰值強度和非線性吸收特性，制備超疏水、超親水仿生微結(jié)構(gòu)，在半導體材料表面制備減反射微結(jié)構(gòu)，在金屬表面獲得減摩微結(jié)構(gòu)。重點研究激光與材料相互作用的非線性、非平衡和多尺度過程，構(gòu)建高時間 / 空間分辨率、跨尺度的組織結(jié)構(gòu)；形成閉環(huán)反饋控制的電子動態(tài)調(diào)控加工新方法、新技術(shù)、新裝備，拓展可重復、高效率的極限微納制造能力，匹配國家產(chǎn)業(yè)應用重大需求。

五、對策建議

（一）發(fā)揮政策引導作用

發(fā)揮政府機構(gòu)對激光制造行業(yè)發(fā)展的政策引導作用，明晰近、中期的發(fā)展戰(zhàn)略、重點領域、技術(shù)政策等；鼓勵各方聯(lián)合，集中力量開展技術(shù)攻關，盡快建立自主可控的關鍵技術(shù)體系。作為智力、資金、技術(shù)密集的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，激光表面改性技術(shù)的起步門檻較高、投資風險較大、盈利回報時間較長。建議各級政府出臺產(chǎn)業(yè)扶持政策，對企業(yè)研發(fā)經(jīng)費予以適當比例的配套，促進建立減少投資風險、鼓勵技術(shù)創(chuàng)新、實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新機制。

（二）加快關鍵核心器件的創(chuàng)新與國產(chǎn)化

加快研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光表面改性成套裝備和關鍵核心器件，盡快實現(xiàn)激光發(fā)生器、送粉裝置、光學系統(tǒng)、激光加工頭、運動系統(tǒng)等的國產(chǎn)化制造，打破國外技術(shù)和產(chǎn)品的壁壘。通過技術(shù)創(chuàng)新和設計優(yōu)化，確保國產(chǎn)激光表面改性成套裝備的長期穩(wěn)定和連續(xù)運行，以產(chǎn)品質(zhì)量提高助力我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

（三）完善產(chǎn)業(yè)鏈配套措施

支持激光表面改性技術(shù)及裝備的應用創(chuàng)新和示范，通過技術(shù)進步促進相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展。整合高新技術(shù)企業(yè)稅收優(yōu)惠、科技成果轉(zhuǎn)化、科技融資與擔保、孵化器等一系列科技政策和手段，促進形成涵蓋元器件生產(chǎn)、裝備生產(chǎn)、材料制備、軟件開發(fā)、制造服務的激光表面改性技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。

（四）建立質(zhì)量評價標準體系

成立專業(yè)性認定機構(gòu)，組織行業(yè)專家團隊，編寫用于指導激光表面改性的工藝、材料使用、質(zhì)量檢測、生產(chǎn)安全等方面的標準（或規(guī)范），建立健全標準體系。以質(zhì)量評價標準體系為紐帶，加強“產(chǎn)學研”合作和交流，為激光表面改性技術(shù)的拓展應用提供參照和依據(jù)。

（五）加強高端人才培養(yǎng)和國際交流合作

圍繞激光表面改性技術(shù)對高端技術(shù)人才的需求，為激光表面改性技術(shù)的發(fā)展提供良好的科研環(huán)境，培養(yǎng)和打造高水平、梯次合理的科研隊伍。發(fā)揮行業(yè)學會 / 協(xié)會、高等院校、科研院所及各類相關社會機構(gòu)的教育和交流作用，為行業(yè)持續(xù)發(fā)展給予人才保障。通過國際高端智力引進，推動我國激光表面改性技術(shù)與裝備的創(chuàng)新突破。注重國際交流與合作，參與國際標準制定以增強產(chǎn)業(yè)發(fā)展話語權(quán)。