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金属表面改性用新一代光源——高功率半导体激光器

光电汇OESHOW

2022-03-24

导读：激光淬火、激光熔覆及激光再制造的利器

姚建华，张群莉

浙江工业大学激光先进制造研究院

激光表面改性技术是表面工程制造中的先进技术之一，是以激光为热源对金属材料表面进行改性处理，改变金属材料表面的组织结构、相结构、化学成分等，利用材料自身的快速冷却作用优化表层组织，从而提高材料表面性能的一种技术。

激光表面改性与传统工艺相比较最突出的特点是：加热和冷却速度快、可选区性好、灵活高质高效、能量利用率高、节约能源和资源、绿色环保等。作为一种表面工程普适性技术，激光表面改性技术面向制造业转型升级的重大需求，直接服务于重大装备高端部件的性能提升与国产化制造，具有广泛的适用范围和良好的应用前景。

随着激光器的商品化、小型化、柔性化和国产化迅速发展，半导体工业激光器逐步发展成为激光表面改性领域最重要的激光器之一。大功率半导体激光器的发展以及半导体激光器件的国产化，也极大促进了激光表面改性技术在工业领域的推广应用。常见的激光表面改性技术包括：激光淬火、激光退火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆、激光再制造、激光冲击硬化、激光上釉、激光表面微结构化等。其中，半导体激光器应用于激光淬火、激光熔覆及激光再制造最为典型，可在现代工业生产中发挥重要作用。

半导体激光器在材料改性中的特性

半导体激光器是继CO₂和Nd:YAG激光器之后，应用于材料表面改性领域的主要激光器之一，其在材料表面改性过程中的优点与传统激光器相比主要有以下几个方面^[1]：

(1) 波长较短，金属材料吸收效率高，热影响区窄，加工质量好；

(2) 光电转化效率高，节能；

(3) 系统性能稳定性高，材料加工工艺可重复性高；

(4) 寿命长，维护方便，且费用较低；

(5) 运行的成本相对较低，生产效率高，可带来较大的经济效益；

(6) 体积相对较小，结构紧凑，可用光纤传导，便于现场加工；

(7) 可根据不同的应用进行模块化设计；

(8) 可获得各种尺寸的矩形、圆形、线形、异形光斑以及可随动调节光斑，光斑能量分布均匀，可进行大面积表面改性，稀释率低。

大功率半导体激光器在集成封装后的体积较小，可开发为手持加工设备或安装于机械手上；光纤激光器体积也小，但是其成本相对较高，光纤材质容易折断，且由于光纤纤芯很小，对比于半导体激光器，其单脉冲能量很小；CO₂激光器由于体积庞大、稳定性差，在许多应用领域受到限制；灯泵浦Nd:YAG 激光器会因为热透镜效应而导致光束质量不稳定[2]。表1为半导体激光器与其它激光器的性能对比。

大功率半导体激光器的最大特点在于其波长较短，用于材料加工的半导体激光器波长一般在808 μm到980 μm之间，由于金属材料对短波长激光的吸收率明显增加，从而产生与CO₂和Nd:YAG激光器明显不同的加工效果，铝合金对该波段激光的吸收率存在一个极值，大约为Nd:YAG激光器的2倍，CO₂激光器的7倍，钢对此波段激光的吸收率也要高于传统激光器，如图1所示^[2]。

随着半导体激光器芯片技术的进步和外腔提高光束质量技术的进步，大功率半导体激光器的光束质量也逐步得到提高，从2007年到2012年，基于传统激光合束的光源光束质量在千瓦至万瓦量级提高3倍左右，接近并部分达到灯泵 Nd:YAG激光器水平，其中360 W光束质量为0.6 mm·mrad（2倍衍射受限），超过CO₂激光器的光束质量。图2显示了高功率半导体激光合束光源的光束质量发展状况^[3]。

金属的半导体激光表面改性研究现状

国内的大功率半导体激光表面改性技术虽然起步较晚，但发展迅猛。一方面，国内激光光源及其元器件制造厂家不断进行技术迭代升级，逐步实现国产化，如苏州长光华芯光电技术股份有限公司致力于高功率半导体激光器芯片和光纤耦合输出模块、高功率巴条和叠阵等产品的研发生产（如图 3），将“中国激光芯”等关键元器件置于半导体激光器中实现国产化制造。以武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、深圳市创鑫激光股份有限公司等为代表的一批激光器制造厂家正在积极推进中高功率半导体激光器的国产化。同时，新型可定制化光学系统不断涌现，光斑尺寸10-140 mm可调；国产化高集成度的半导体激光表面改性成套设备也日渐成熟（如图 4），为高端装备部件的激光表面改性技术提供了硬件保障。

另一方面，国内多家高校、科研院所相继开发出多种激光表面改性实用化技术，如华中科技大学、上海交通大学、西北工业大学、浙江工业大学、北京工业大学、苏州大学、江苏大学、东南大学、长春理工大学、中科院宁波材料所等，为我国半导体激光加工技术的发展做出了巨大的贡献，推动了先进制造技术的发展。

在激光淬火方面，经过多年发展我国已将该技术成功应用于航空航天、能源、石化、冶金等工业领域，对轴体类、套筒类、齿轮类、叶片类、模具等零件均取得良好的强化效果。

例如，采用较大光斑的激光束对65Mn 弹簧钢表面进行淬火，硬化层深度约为0.3 mm，硬化层硬度可达基体的4.2~5.4倍^[4]；对卷取机卷筒主轴40CrNiMoA 钢表面进行激光淬火，磨损量仅为基体的36.1%^[5]；通过激光淬火对 35CrMo 合金结构钢回转轴截面突变处进行局部强化，表面残余压应力是未处理前的1.9倍^[6]；针对钢轨在与高速运行轮对的摩擦配副过程中的损伤问题，华中科技大学、武汉新瑞达激光工程有限责任公司等单位开展了钢轨激光淬火强化技术研究，研制了国际上首台钢轨激光淬火强化工程车，获得正式定型并通过性能考核^[7]。

为了提高重载轴承在极端环境（大倾覆力矩、重载疲劳、高冲击、高磨损）下的质量与服役寿命，浙江工业大学与中科院长光所等单位合作，开发了万瓦级以上超高功率半导体激光表面改性系统，针对重载轴承研发了激光深层淬火技术，将激光淬硬层深度提高到5.9 mm，替代了传统高污染、高能耗的淬火处理技术，为重载轴承的国产化制造提供了技术支持^[8]。

在激光熔覆与再制造方面，华中科技大学的潘新宇等^[9]研究了半导体激光光束经光纤耦合出射后的光场分布。分析传统透射式变斑系统的优缺点，提出一种新型的反射式变斑聚焦系统。上海交通大学的李铸国等^[10]采用3.5 kW的半导体激光器在42CrMo4表面熔覆了Stellite6合金，在熔池的温度监控下调整激光功率获得了近似零稀释率的熔覆层。华工激光工程有限公司根据汽车模具行业需求专门开发了半导体激光模具强化系统，已经进入了汽车模具表面强化中的实际工程应用。

浙江工业大学的姚建华等^[11-12]针对2Cr13、17-4PH等汽轮机部件，首次将激光表面熔覆技术用于金属叶片强化，替代表面镀铬、火焰淬火、感应淬火等传统强化工艺，有效克服了传统工艺的污染、变形、断裂及质量不稳定等局限性，大幅度提高了汽轮机叶片的使用寿命，并应用于汽轮机转子失效轴颈部位的高性能激光修复再制造。该技术已在杭州汽轮机股份有限公司、上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司等单位成功应用了十余年，实现了大容量汽轮机机组的国产化制造，打破国外垄断。

姚建华等也提出了激光复合表面改性技术，如超音速粒子动能场与激光同步复合的超音速激光沉积方法，实现了开放环境下Cu、Al、Ti合金、金刚石等热敏感、高硬度材料的微锻态增材制造，沉积效率比单一激光熔覆提高5倍以上，热影响区宽度≤9 μm，如图5所示^[13]；电磁复合场协同激光表面改性形控性技术，可实现激光熔覆过程中熔池的主动排气、形貌控制、增强颗粒分布及组织调控，沉积致密度达 100%，如图6所示^[14]。

总结与展望

半导体激光器体积小、重量轻、效率高、能耗小、寿命长、使用维护方便，适合于现场、野外和运载使用，而且产生的光束是非常独特的矩形形状，成为新一代表面改性技术最适宜的激光光源，是激光表面改性的最重要发展趋势之一。

但是，与国外发达国家相比，我国的半导体激光表面改性技术仍然存在不足，如基础理论研究不够深入，装备核心部件国产化程度不高，应用市场规范化与技术标准化存在差距等。

为尽快实现激光表面改性技术领域的产业化，发展重点是进一步开发高端装备关键基础件的激光表面改性与再制造新技术及装备，如根据实际工况需求研制可定制化光学模块、光斑及高功率高稳定性半导体激光器，开发基于远平衡态的激光表面改性专用合金材料，开展多物理场、多工艺的复合表面改性技术研发，开发面向现场的快速响应的激光表面强化与再制造专家系统，研制具有智能化特点的激光表面强化与再制造技术及成套设备等。

参考文献

1. 郭士锐 , 陈智君 , 张群莉等．大功率半导体激光表面改性的研究进展．激光与光电子学进展， 2013，50: 55-62

2. 苏国强 . 大功率半导体激光表面加工技术研究 [D]. 北京 : 北京工业大学 ,2007

3. 王立军,宁永强,秦莉,佟存柱,陈泳屹.大功率半导体激光器研究进展 [J]. 发光学报 ,2015,36(01):1-19

4. 杜成明 , 朱锦云 , 杨振 , 等 .65Mn弹簧钢表面激光淬火的显微组织及性能研究 [J]. 机械工程师 ,2020,(03):52-53.

5. 杨振 , 樊湘芳 , 邱长军 , 等 . 激光功率对40CrNiMoA钢表面淬火组织和摩擦磨损性能的影响 [J]. 金属热处理 , 2020,45(03):128-133.

6. 杨秋梅 , 周亚军 , 毛大恒 , 等 . 激光淬火对回转轴残余应力影响的研究 [J]. 热加工工艺 , 2020, 49(04):129-132.

7. 杨志翔 , 王爱华 , 熊大辉 , 等 . 钢轨表面宽带激光淬火工艺及其疲劳磨损性能 [J]. 中国机械工程 ,2019,30(03):6-12.

8. 张群莉 , 林坚 , 陈智君 , 等 . 基于 MSC.Marc 的电磁感应复合激光淬火相变过程研究 [J]. 中国激光，https://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1339. tn.20210303.1212.026.html

9. 潘新宇 . 可变光斑激光熔覆光学系统的研究 [D]. 武汉 : 华中科技大学 ,2018

10. 李铸国 , 黄坚 , 王亚平 , 等 . 温度场监控下高功率半导体激光熔敷钴基合金涂层 [J]. 红外与激光工程 ,2010,39(2):311-314.

11. 胡晓冬,姚建华,孔凡志,等.半导体激光熔覆 2Cr13 的工艺实验与预测模型 [J]. 中国激光 ,2010,37(1):277-280.

12. 鲁燕,孔凡志,姚建华,等.半导体激光熔覆 TiC/H13 涂层的抗回火性能 [J].应用激光 ,2010,30(6):451-455.

13. J.H.Yao, L.j.Yang, B.Li, et al .Beneficial effects of laser irradiation on the deposition process of diamond/Ni60 composite 作者简介姚建华，教授，博导，浙江省特级专家，浙江工业大学机械工程学院院长、激光先进制造研究院院长，研究方向为激光表面改性、激光智能制造。张群莉，教授，博导，浙江工业大学激光先进制造研究院副院长，研究方向为激光表面改性、激光先进制造。coating with cold spray[J].Applied Surface Science,2015,330: 300-308.

14. L.Wang, J.H.Yao, Y.Hu, et al . Influence of electric-magnetic compound field on the WC particles distribution in laser melt injection[ J].Surface & Coatings Technology,2017,315:32-43.