一、前言

以航空航天、新能源、軌道交通為(wei) 代表的高端裝備對使用部件的表麵性能要求極高，感應、噴塗、噴丸、滾壓等常規表麵強化手段已難以滿足高性能裝備的應用需求。激光技術在改善金屬材料的表麵性能、突破傳(chuan) 統改性技術應用約束等方麵潛力突出，被視為(wei) 現代工業(ye) 的“萬(wan) 能加工工具”“未來製造係統共同的加工手段”。激光表麵改性技術利用激光的高亮度、高方向性、高單色性和高相幹性等特征，通過改變金屬材料表麵的組織結構和化學組成來對材料表麵進行改性或合金化，進而達到改善材料表麵性能的目的。在低成本材料表麵製備低價(jia) 格、高性能的表麵塗層，對於(yu) 重要零件材料及其性能的選擇匹配與(yu) 設計製造具有重要意義(yi) 。

作為(wei) 一種表麵工程普適性技術，激光表麵改性技術麵向我國製造業(ye) 轉型升級的重大需求，直接服務於(yu) 重大裝備高端部件的性能提升與(yu) 國產(chan) 化製造，具有廣泛的適用範圍和良好的應用前景。常規的激光表麵改性技術有：激光淬火、激光退火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆、激光衝(chong) 擊強化、激光上釉、激光表麵微結構化等。其中，以激光衝(chong) 擊強化、激光淬火、激光熔覆最為(wei) 典型，在現代工業(ye) 生產(chan) 中發揮著重要作用。激光衝(chong) 擊強化技術具有非接觸、無熱影響區、可控性強、強化效果顯著的優(you) 點。經激光淬火後的材料，其表麵強度比常規淬火提高 5%~20%，淬火層深度可達 1 mm，因此激光淬火具有加熱速度快、熱影響區小、熱變形小和可局部實施的優(you) 點。激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、塗層與(yu) 基體(ti) 結合好等優(you) 點。

本文係統梳理激光衝(chong) 擊強化、激光淬火、激光熔覆等典型的激光表麵改性技術國內(nei) 外發展現狀，結合產(chan) 業(ye) 應用需求剖析技術發展麵臨(lin) 的問題，總結領域技術重點發展方向並提出後續發展建議，以期為(wei) 我國激光表麵改性技術研究提供參考借鑒。

二、激光表麵改性技術的發展現狀

（一）激光衝(chong) 擊強化技術

激光衝(chong) 擊強化技術在航空航天、船舶、汽車、石油化工、核工業(ye) 和高端模具等裝備製造領域獲得了較多應用。據統計，在航空航天和船舶領域，49% 的燃氣渦輪發動機構件損傷(shang) 是由疲勞失效引起的，而葉片、機匣和傳(chuan) 動部件是最容易發生疲勞斷裂的零部件（見圖 1 和圖 2）。激光衝(chong) 擊強化技術成為(wei) 改善發動機關(guan) 鍵零部件疲勞壽命的必要手段。

圖 1 燃氣渦輪發動機失效方式占比分布

圖 2 燃氣渦輪發動機部件對高周疲勞的敏感性占比分布

工業(ye) 發達國家在早期紛紛開展了激光衝(chong) 擊強化技術的研究，目前美國仍是激光衝(chong) 擊強化技術發展最快、應用最成功的國家。美國在 20 世紀 90 年代後期提出的“高周疲勞科學與(yu) 技術研究”計劃，將激光衝(chong) 擊強化技術列為(wei) 先進航空發動機的 76 項關(guan) 鍵技術之一。2012 年，美國金屬改性公司（MIC）研製了移動式激光衝(chong) 擊強化設備以解決(jue) 現場作業(ye) 難題。美國通用電氣公司（GE）麵向市場需求推出了用於(yu) 大型薄壁件加工的激光衝(chong) 擊強化設備，廣泛應用於(yu) 發動機葉片 / 葉盤、機翼等結構件的表麵強化。

20 世紀 90 年代，國內(nei) 開始了激光衝(chong) 擊強化方麵的技術研究和應用探索。隨著激光器技術的快速發展、相關(guan) 理論的不斷成熟，我國激光衝(chong) 擊強化技術的工程應用規模逐漸擴大。2008 年第一條擁有自主知識產(chan) 權的激光衝(chong) 擊強化生產(chan) 線建成投產(chan) ，中國成為(wei) 世界上第二個(ge) 取得該技術實際應用的國家。2011 年，中國科學院沈陽自動化研究所研製了我國第一台工業(ye) 應用級整體(ti) 葉盤激光衝(chong) 擊強化係統。2016 年，中國科學院寧波材料技術與(yu) 工程研究所在隨動式激光衝(chong) 擊強化技術方麵取得突破，實現了對齒輪、機電腔體(ti) 、刀具、微細結構等複雜零件的處理。江蘇大學在高端金屬激光衝(chong) 擊梯度納米結構形成機製、抗疲勞製造機理、典型結構衝(chong) 擊強化工藝和應用等方麵完成了係列化研究。

（二）激光淬火技術

激光淬火技術在工業(ye) 發達國家的應用已經普遍化和成熟化。例如，諸多汽車製造商都建立了激光表麵淬火生產(chan) 線，通過激光表麵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(nei) 壁的耐磨性，對重載大齒輪進行激光表麵淬火處理來規避常規熱處理工藝可能造成的大變形、高汙染問題。

我國激光淬火技術應用起步於(yu) 20世紀80年代，先期在汽車發動機氣缸體(ti) 、缸套等零部件方麵開展應用；經過多年發展已拓展應用於(yu) 航空航天、能源、石化、冶金等工業(ye) 領域，對軸體(ti) 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 彈簧鋼表麵進行淬火，硬化層深度約為(wei) 0.3 mm，硬化層硬度可達基體(ti) 的 4.2~5.4 倍。對卷取機卷筒主軸40CrNiMoA 鋼表麵進行激光淬火，磨損量僅(jin) 為(wei) 基體(ti) 的 36.1%。通過激光淬火對 35CrMo 合金結構鋼回轉軸截麵突變處進行局部強化，表麵殘餘(yu) 壓應力是未處理前的 1.9 倍。針對鋼軌在與(yu) 高速運行輪對的摩擦配副過程中的損傷(shang) 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研究，研製了國際上首台鋼軌激光淬火強化工程車，獲得正式定型並通過性能考核。為(wei) 了解決(jue) 兆瓦級風力發電機的主軸軸承在極端環境（重載磨損、高衝(chong) 擊、高鹽等）下的可靠服役問題，浙江工業(ye) 大學發展了激光深層淬火技術，將激光淬火層深度提高到 3.7 mm，有效提高了零部件在複雜環境下的抗疲勞、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

激光熔覆技術產(chan) 生於(yu) 20 世紀 70 年代，美國AVCO 公司率先開展汽車發動機易磨損零部件的表麵強化應用。目前，相關(guan) 技術在汽車、動力裝備、軌道交通等領域得到廣泛應用。日本、美國企業(ye) 將激光增材再製造技術商業(ye) 化，批量修複了軍(jun) 用飛機發動機的磨損失效零件，節約經費並提高了修複效率 。在汽車工業(ye) 領域，采用激光熔覆技術對汽車曲軸進行表麵修複，獲得了與(yu) 曲軸表麵結合緊密且性能良好的熔覆塗層。德國發展了超高速激光熔覆技術（EHLA），可在短時間內(nei) 完成大麵積塗層的快速製備，熔覆層厚度在 0.1~0.25 mm 範圍可調，生產(chan) 速度比傳(chuan) 統激光熔覆提高 100~250 倍，可取代電鍍、熱噴塗、堆焊等傳(chuan) 統技術。

20 世紀 80 年代以來，我國激光熔覆技術發展迅速，已經從(cong) 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(ye) 、石油化工、汽車等行業(ye) 。機械科學研究總院集團有限公司、哈爾濱工業(ye) 大學與(yu) 國外機構進行聯合研發，實現了超高速激光熔覆技術的工程應用。西北工業(ye) 大學開展了鈦合金零件的激光修複研究，成功修複了航空零部件。浙江工業(ye) 大學將激光熔覆技術應用於(yu) 汽輪機葉片強化和汽輪機轉子修複，對失效轉子進行回收和再製造利用，延長轉子使用壽命約2~3 倍（見圖 4）。激光熔覆技術大量應用於(yu) 機械工業(ye) 中的軸承、曲軸、模具、螺杆、刀具等易損易耗零部件。例如，以激光熔覆技術對天然氣淨化廠汽輪機氣缸變形位置進行現場修複，消除了氣缸漏氣現象；在 45 鋼曲軸連杆軸頸上激光熔覆鐵基合金粉末，形成相當於(yu) 基體(ti) 2~3 倍硬度的熔覆層，解決(jue) 了曲軸軸頸易出現裂紋和過度磨損的問題。

圖 4 經激光表麵強化後的汽輪機葉片

三、我國激光表麵改性技術麵臨(lin) 的問題

（一）基礎理論研究不夠深入

我國激光表麵改性技術的研究曆程相對較短，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，如基於(yu) 遠平衡態的激光與(yu) 材料表麵相互作用的材料物理冶金機製、晶粒生長機製及缺陷形成機製等。

在專(zhuan) 用熔覆材料方麵，目前多數應用仍然沿用熱噴塗粉末。由於(yu) 熱噴塗與(yu) 激光束作用是兩(liang) 種完全不同的物理冶金過程，相關(guan) 材料實際上不適用於(yu) 激光表麵強化與(yu) 再製造，由此帶來的氣孔、開裂現象難以避免。

（二）裝備核心部件國產(chan) 化程度不高

目前，國內(nei) 在高質量激光表麵改性方麵所采用的激光器多為(wei) 進口產(chan) 品，主要是進口激光器的工作可靠性和穩定性更好。一方麵，進口產(chan) 品的采購周期較長，往往對國內(nei) 相關(guan) 技術的發展和研究產(chan) 生較大的影響；另一方麵，激光芯片、激光器、激光頭、控製軟件等核心部件國產(chan) 化水平相對較低，產(chan) 業(ye) 發展受製於(yu) 人的現象沒有消除。

麵向未來，激光表麵改性將成為(wei) 主流的製造技術，智能化、極端化和高性能化是發展趨勢。突破高效率、高質量激光發生器的國產(chan) 化研製難題，構建激光表麵改性專(zhuan) 用裝備集成技術體(ti) 係，加強批量生產(chan) 能力並實現產(chan) 品化發展，將是支撐我國製造業(ye) 高質量發展的重要挑戰之一。

（三）應用市場規範化與(yu) 技術標準化存在差距

國內(nei) 激光表麵改性技術的應用仍處於(yu) “小而散”的狀態，在企業(ye) 規模、研發投入、產(chan) 品成熟度、市場開發、材料研發等多個(ge) 方麵都與(yu) 國外存在不小差距。

1. 技術熱點

國外較多關(guan) 注再製造生產(chan) 過程中的綠色生產(chan) 和質量控製，相關(guan) 研究集中在綠色清洗和無損檢測技術方麵。國內(nei) 發表的激光表麵熔覆技術工藝研究論文較多，近期在再製造方向孵化出了一批應用型企業(ye) ；相關(guan) 研究與(yu) 應用集中在毛坯損傷(shang) 修複成形（屬於(yu) 外形恢複的初級階段），而有關(guan) 修複性能、缺陷檢測等質量保障技術存在較大差距，工藝規範和標準明顯缺失。

2. 製造業(ye) 應用

國外激光熔覆技術已經具有了相當的工業(ye) 體(ti) 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製造與(yu) 表麵改性實施應用。國內(nei) 則主要應用在礦山機械、模具行業(ye) 、鋼鐵冶煉、石油化工、煤炭綜采、汽車零件等“量大麵廣”的基礎件修複與(yu) 耐磨耐蝕性能改善。我國激光表麵改性產(chan) 業(ye) 現已初具規模，但在重大、高端裝備的應用方麵尚顯不足。

3. 產(chan) 業(ye) 規模

歐洲多家大型激光表麵改性企業(ye) 不僅(jin) 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(cong) 商業(ye) 模式看，歐洲企業(ye) 注 重生產(chan) 設備與(yu) 加工服務相結合，實際發展也證明這是推進激光表麵熔覆技術產(chan) 業(ye) 化的有效形式。相比之下，國內(nei) 激光表麵強化企業(ye) 尚未走出國門來拓寬海外市場，在激光製造技術及裝備的自主創新發展方麵存在不少短板，商業(ye) 運作模式有待優(you) 化，核心競爭(zheng) 力有待提升。

四、激光表麵改性技術的重點發展方向

（一）激光表麵改性專(zhuan) 用合金材料製備技術

激光表麵改性（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(yu) 常規條件下的演化過程差異甚大。在無法實施後處理的情況下，為(wei) 了獲得硬質相的析出，需要異常高的過飽和度，這既是高性能的保障，又是產(chan) 生非預期應力和開裂的主因。研製不易產(chan) 生缺陷的高性能合金材料配方是激光表麵改性技術實現大範圍工業(ye) 應用的首要條件。探索基於(yu) 遠平衡態的專(zhuan) 用材料設計理論及科學配比方法，建立各類專(zhuan) 用材料體(ti) 係，為(wei) 激光表麵改性技術的拓展應用提供關(guan) 鍵的基礎支撐。

（二）多能場激光複合表麵改性技術

高端裝備製造業(ye) 對於(yu) 關(guan) 鍵零部件表麵性能的要求持續提高，傳(chuan) 統的以單一激光作為(wei) 熱源的表麵改性技術麵臨(lin) 發展瓶頸。多物理場協同作用的複合改性技術在對激光表麵改性過程中的傳(chuan) 熱傳(chuan) 質行為(wei) 進行靈活調控方麵顯示出了獨特優(you) 勢。相應的重點發展方向包括：超音速激光複合沉積、電場 – 磁場協同的激光表麵改性、激光 – 感應複合表麵改性、激光 – 超聲振動複合表麵改性、激光 –（電）化學複合表麵改性、多層梯度複合改性等。此外，深入研究多物理場協同作用對於(yu) 激光表麵改性非平衡過程的影響機理，建立複合場工藝、激光工藝和改性層性能之間的關(guan) 係模型。

（三）麵向現場的激光再製造技術

麵向企業(ye) 現場存在的大型機械不易拆卸、運輸困難等問題，研製方便靈活的移動式激光再製造成套裝備。突破高功率、寬光斑、高穩定性的大麵積連續激光再製造工藝技術，拓寬激光再製造工藝窗口；通過過程控製縮短再製造時間，提高激光再製造層的沉積精度來降低表麵粗糙度、減少後續加工量，實現修複層性能等於(yu) 或優(you) 於(yu) 原工件。

（四）激光衝(chong) 擊強化控形控性技術

航空發動機關(guan) 鍵部件的激光衝(chong) 擊強化（LSP），兼顧“性能”“形狀”要求較為(wei) 困難，這是當前麵臨(lin) 的技術瓶頸問題。為(wei) 了推進LSP技術的普及發展，可在以下方麵開展工作：攻關(guan) 激光衝(chong) 擊強化控形控性技術，同時滿足航空發動機關(guan) 鍵部件的性能、尺寸精度以及形狀表麵完整性的技術要求；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衝(chong) 擊強化技術；研究新型激光衝(chong) 擊強化工藝的基礎規律，開展管道、狹窄空間內(nei) 壁的激光衝(chong) 擊強化處理應用；研製長壽命、高可靠、智能化激光衝(chong) 擊強化專(zhuan) 用裝備，實現多類工程化應用；建立係列工藝規範。 

（五）激光表麵改性智能化技術

激光表麵改性涉及多學科交叉，目前國內(nei) 激光表麵改性智能化控製技術處於(yu) 起始階段。重點發展方向包括：通過光學、機械、電氣、材料、工藝、製造、控製、信息、網絡等學科知識的深度融合，連接上下遊研究機構和企業(ye) 進行協同攻關(guan) ；突破對溫度、材料、尺寸位置、表麵質量的智能化控製技術，建立激光表麵改性專(zhuan) 用材料庫及工藝數據庫；開展激光表麵改性成套設備的集成及係列化工作，具備智能化生產(chan) 能力。

（六）激光表麵微結構化技術

應對多功能、多尺度、高效率、高質量、高精度等產(chan) 品綜合性能的需求，利用短脈衝(chong) 、超短脈衝(chong) 激光製備功能表麵微結構，成為(wei) 當前製造科學的研究前沿。脈衝(chong) 激光織構技術利用激光的高能量峰值強度和非線性吸收特性，製備超疏水、超親(qin) 水仿生微結構，在半導體(ti) 材料表麵製備減反射微結構，在金屬表麵獲得減摩微結構。重點研究激光與(yu) 材料相互作用的非線性、非平衡和多尺度過程，構建高時間 / 空間分辨率、跨尺度的組織結構；形成閉環反饋控製的電子動態調控加工新方法、新技術、新裝備，拓展可重複、高效率的極限微納製造能力，匹配國家產(chan) 業(ye) 應用重大需求。

五、對策建議

（一）發揮政策引導作用

發揮政府機構對激光製造行業(ye) 發展的政策引導作用，明晰近、中期的發展戰略、重點領域、技術政策等；鼓勵各方聯合，集中力量開展技術攻關(guan) ，盡快建立自主可控的關(guan) 鍵技術體(ti) 係。作為(wei) 智力、資金、技術密集的高新技術產(chan) 業(ye) ，激光表麵改性技術的起步門檻較高、投資風險較大、盈利回報時間較長。建議各級政府出台產(chan) 業(ye) 扶持政策，對企業(ye) 研發經費予以適當比例的配套，促進建立減少投資風險、鼓勵技術創新、實現企業(ye) 轉型升級的新機製。

（二）加快關(guan) 鍵核心器件的創新與(yu) 國產(chan) 化

加快研製具有自主知識產(chan) 權的激光表麵改性成套裝備和關(guan) 鍵核心器件，盡快實現激光發生器、送粉裝置、光學係統、激光加工頭、運動係統等的國產(chan) 化製造，打破國外技術和產(chan) 品的壁壘。通過技術創新和設計優(you) 化，確保國產(chan) 激光表麵改性成套裝備的長期穩定和連續運行，以產(chan) 品質量提高助力我國製造業(ye) 高質量發展。

（三）完善產(chan) 業(ye) 鏈配套措施

支持激光表麵改性技術及裝備的應用創新和示範，通過技術進步促進相關(guan) 產(chan) 業(ye) 發展。整合高新技術企業(ye) 稅收優(you) 惠、科技成果轉化、科技融資與(yu) 擔保、孵化器等一係列科技政策和手段，促進形成涵蓋元器件生產(chan) 、裝備生產(chan) 、材料製備、軟件開發、製造服務的激光表麵改性技術產(chan) 業(ye) 鏈。

（四）建立質量評價(jia) 標準體(ti) 係

成立專(zhuan) 業(ye) 性認定機構，組織行業(ye) 專(zhuan) 家團隊，編寫(xie) 用於(yu) 指導激光表麵改性的工藝、材料使用、質量檢測、生產(chan) 安全等方麵的標準（或規範），建立健全標準體(ti) 係。以質量評價(jia) 標準體(ti) 係為(wei) 紐帶，加強“產(chan) 學研”合作和交流，為(wei) 激光表麵改性技術的拓展應用提供參照和依據。

（五）加強高端人才培養(yang) 和國際交流合作

圍繞激光表麵改性技術對高端技術人才的需求，為(wei) 激光表麵改性技術的發展提供良好的科研環境，培養(yang) 和打造高水平、梯次合理的科研隊伍。發揮行業(ye) 學會(hui) / 協會(hui) 、高等院校、科研院所及各類相關(guan) 社會(hui) 機構的教育和交流作用，為(wei) 行業(ye) 持續發展給予人才保障。通過國際高端智力引進，推動我國激光表麵改性技術與(yu) 裝備的創新突破。注重國際交流與(yu) 合作，參與(yu) 國際標準製定以增強產(chan) 業(ye) 發展話語權。