圖1 Inconel718材料激光表麵處理後斷口掃描電鏡照片 Tm=750℃，f=1/10Hz，N=1000 次

2.2 激光重熔（激光熔凝）表麵納米化技術

激光重熔一般是指，用高能聚焦激光束將零件表麵熔化而不加任何其他成分，以基體(ti) 表層的快速融化和凝固細化晶粒、消除缺陷，達到表麵組織改善的目的。

激光重熔作為(wei) 一種表麵工程技術，已有大量的研究人員做過相關(guan) 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麵硬度、抗腐蝕能力和磨損性能,但作為(wei) 表麵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(men) 的做法是，如圖2所示，將試件放在盛有去離子水的容器中，調整水量可調整液麵到被處理麵的距離，然後用Nd:YAG激光以一定的工藝參數進行試件表麵重熔。其結果如圖3、圖4所示。

圖2 激光表麵重熔裝置和試件示意圖

圖3 不同處理狀態下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 激光熔覆表麵納米化技術

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(ti) 材料而不添加其他材料，但激光熔覆是通過在基材表麵添加熔覆材料，並利用高能量密度的激光束，使之與(yu) 基材表麵薄層一起熔凝的方法，在基層表麵形成與(yu) 其為(wei) 冶金結合的添料熔覆層。

激光熔覆表麵納米化技術可以分為(wei) 三個(ge) 主要方麵，第一方麵，是采用類似激光重熔表麵納米化的方法，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(liang) 種類型，一種是熔敷料和基體(ti) 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(wei) 主，此種方法目前相關(guan) 文獻較為(wei) 少見。

另一種是在激光熔覆過程中熔敷料和基體(ti) ，或熔敷料和熔敷料之間相互發生化學反應生成納米顆粒或納米尺寸組織。

這種原位生成納米結構塗層的方法也是現在表麵工程技術的一個(ge) 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，在表麵形成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 激光衝(chong) 擊表麵納米化技術

激光衝(chong) 擊強化技術是利用強激光束產(chan) 生的等離子衝(chong) 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。

激光衝(chong) 擊表麵納米化技術如圖6所示，當短脈衝(chong) (ns)的高功率密度(GW/cm2 )的激光照射到金屬表麵吸收層時，吸收層吸收激光能量發生爆炸性汽化蒸發，產(chan) 生高壓(GPa)等離子體(ti) ，該等離子體(ti) 受到約束層的約束，產(chan) 生高壓衝(chong) 擊波，作用於(yu) 金屬表麵並向內(nei) 部傳(chuan) 播，在材料表層形成密集、穩定的位錯結構，位錯再通過滑移進行塑性變形，而衝(chong) 擊波在晶界上的反射和折射作用，使得衝(chong) 擊波在多方向上作用於(yu) 晶粒，從(cong) 而位錯進行複雜的滑移、集聚和湮滅後形成新的晶界，形成較小的亞(ya) 晶和納米晶。

聶祥樊等對TC6鈦合金進行了激光衝(chong) 擊試驗研究，試驗表明，單次衝(chong) 擊試驗後材料表麵出現大量高密度錯位，3次激光衝(chong) 擊處理後，主要形成100~200nm亞(ya) 微米晶粒，衝(chong) 擊5次後形成40nm左右的均勻分布晶粒，繼續增加衝(chong) 擊次數對晶粒的細化幫助不大，但有助於(yu) 提高納米晶的均勻程度，實驗結果如圖7所示。

圖6 激光衝(chong) 擊原理示意圖

圖7 不同衝(chong) 擊次數下TC6表麵的微觀組織特征

2.5 激光表麵刻蝕

紐約羅切斯特大學的研究者們(men) 通過用飛秒激光脈衝(chong) 轟擊普通金屬而研發出了一種非同尋常的新型表麵材料，它可以有效地吸收光能，防水以及自我淨化。

通過超能激光脈衝(chong) 在金屬表麵刻蝕出大量肉眼不及的諸如窪坑、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(cong) 根本上改變了金屬表麵的光學性質和潤濕性質。

圖 8 飛秒激光在金屬表麵刻蝕出的層次結構，水珠從(cong) 被該技術處理過的樣品表麵上滑落

2.6 激光表麵納米壓印

普渡大學的博士生和教授開發出激光震動壓印技術這種技術能夠在室溫條件下創建小至10納米的3D晶體(ti) 金屬結構，而且其表麵十分光滑。

這種方法能夠在一個(ge) 金屬片上用納米級的3D結構組成大麵積的圖案，並可能導致創新性的低成本規模製造方式的出現，比如“電漿子超穎材料（plasmonic metamaterials）”在先進技術領域的使用。

他們(men) 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，這些形狀的大小隻有人的頭發寬度的幾千分之一。

這種“震動誘導成型”技術能夠非常精確地定義(yi) 角度和垂直麵。

圖9 幾種激光納米壓印圖案

2.7 其他激光表麵納米圖案化方法

其他還有一些材料表麵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

表麵處理技術的應用曆史悠久，但表麵工程技術從(cong) 概念提出到發展成為(wei) 完整的學科體(ti) 係時間，到現在卻隻有幾十年, 激光技術和納米技術與(yu) 表麵工程技術相結合的激光表麵納米化技術或也可稱之為(wei) 激光納米表麵工程技術。

雖然其所使用的各種激光表麵處理技術，如激光輻照、激光重熔、激光熔覆和激光衝(chong) 擊，已經有很多的研究資料並取得了豐(feng) 碩的成果，但專(zhuan) 門有針對的運用這些技術，進行表麵納米化處理的研究還比較少，並且也沒有係統化，而激光表麵納米圖案化的發展尚處於(yu) 初期階段，所以這一領域還有很多的研究工作可做。