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(shù)

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(xì)化晶粒、消除缺陷，達(dá)到表面組織改善的目的。

激光重熔作為一種表面工程技術(shù)，已有大量的研究人員做過(guò)相關(guān)研究工作，研究指出通過(guò)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(shù)尚無(wú)人單獨(dú)明確提出。

吉林大學(xué) 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(shí)。

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(diào)整水量可調(diào)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(jìn)行試件表面重熔。其結(jié)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(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)（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(shù)

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(guò)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(jié)合的添料熔覆層。

激光熔覆表面納米化技術(shù)可以分為三個(gè)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(yīng)措施直接在激光熔覆的過(guò)程中使熔敷層形成納米晶粒結(jié)構(gòu)。

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(guò)程熔池的形成和冷卻以物理過(guò)程為主，此種方法目前相關(guān)文獻(xiàn)較為少見(jiàn)。

另一種是在激光熔覆過(guò)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(xué)反應(yīng)生成納米顆?；蚣{米尺寸組織。

這種原位生成納米結(jié)構(gòu)涂層的方法也是現(xiàn)在表面工程技術(shù)的一個(gè)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(shù)

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用強(qiáng)激光束產(chǎn)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(shù)。

激光沖擊表面納米化技術(shù)如圖6所示，當(dāng)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(shí)，吸收層吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓(GPa)等離子體，該等離子體受到約束層的約束，產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播，在材料表層形成密集、穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)再通過(guò)滑移進(jìn)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(cuò)進(jìn)行復(fù)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(duì)TC6鈦合金進(jìn)行了激光沖擊試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，單次沖擊試驗(yàn)后材料表面出現(xiàn)大量高密度錯(cuò)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(duì)晶粒的細(xì)化幫助不大，但有助于提高納米晶的均勻程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)的研究者們通過(guò)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(guò)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(xì)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(jié)構(gòu)。這種納米微結(jié)構(gòu)從根本上改變了金屬表面的光學(xué)性質(zhì)和潤(rùn)濕性質(zhì)。

圖 8 飛秒激光在金屬表面刻蝕出的層次結(jié)構(gòu)，水珠從被該技術(shù)處理過(guò)的樣品表面上滑落

2.6 激光表面納米壓印

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

這種方法能夠在一個(gè)金屬片上用納米級(jí)的3D結(jié)構(gòu)組成大面積的圖案，并可能導(dǎo)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(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的使用。

他們經(jīng)使用這種技術(shù)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(wǎng)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(dòng)誘導(dǎo)成型”技術(shù)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(jié)

表面處理技術(shù)的應(yīng)用歷史悠久，但表面工程技術(shù)從概念提出到發(fā)展成為完整的學(xué)科體系時(shí)間，到現(xiàn)在卻只有幾十年, 激光技術(shù)和納米技術(shù)與表面工程技術(shù)相結(jié)合的激光表面納米化技術(shù)或也可稱之為激光納米表面工程技術(shù)。

雖然其所使用的各種激光表面處理技術(shù)，如激光輻照、激光重熔、激光熔覆和激光沖擊，已經(jīng)有很多的研究資料并取得了豐碩的成果，但專門有針對(duì)的運(yùn)用這些技術(shù)，進(jìn)行表面納米化處理的研究還比較少，并且也沒(méi)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(lǐng)域還有很多的研究工作可做。