激光表面纳米化技术纳包括表层材料晶粒纳米化和实现表层纳米结构。纳米材料和纳米结构所具有的各种的优异性能已经逐渐被人们认识，对金属材料来说如果晶粒尺寸细化到纳米量级，其综合性能将大幅度提高，同时金属材料表层的纳米图案结构可以极大地改善材料表面性能，可以使材料具有抗氧化，耐磨，耐腐蚀，超疏水等一系列优异性能。

    材料表面纳米化的方法有多种，在各类表面纳米化技术中有一大类，是利用激光表面处理技术和纳米技术相结合实现纳米特性的表面层，可以统称为激光表面纳米化技术，或更广义的称之为激光纳米表面工程技术，就是直接或主要利用激光这种特定的技术手段，直接改变或是添加材料改变被处理固体材料表面的形态、成分或结构，使其形成含有纳米晶粒或一定纳米颗粒成分的表层。或者使用激光刻蚀，激光压印，激光毛化，激光微纳造型等手段在材料表面实现纳米结构。

    1 激光表面处理技术

    上个世纪70年代大功率激光器研制成功后，使激光表面处理技术进入实际应用，随后迅速发展，先后出现了激光淬火（激光相变硬化表面改性技术）、激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆、激光表面非晶化和激光冲击强化等方法。这些激光表面处理技术通过使材料表面形成一定厚度的处理层，以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等性能。激光由于功率密度高，方向性好，能量传递方便，可在各种透明介质中传输等特点。同时各种段脉冲激光的发展使得激光表面纳米图案化愈加可行。

    随着纳米材料和纳米表面工程技术的发展，应用各种激光表面处理技术，实现零件表面纳米化的探索也逐渐展开，并取得一定成果。激光表面纳米化技术由于实质上就是激光表面处理技术和纳米表面技术结合所产生的，所以其同样具有激光表面处理的所有优点，相较于其他表面纳米化技术，这些优点有的是至关重要的，比如机械研磨表面纳米化技术，就不适用于大面积、复杂形状的零件；再比如表面辊压或振动喷丸表面纳米化技术在处理复杂形状零件上都有困难，实际生产中难以实现，而激光表面纳米化技术却基本不存在类似问题。

    2 激光表面纳米化的方法

    2.1激光辐照表面纳米化技术

    激光辐照表面处理研究较多地集中在激光淬火硬化的表面改性工作上，同时也在激光固溶或激光退火上进行了很多的研究，目前尚无研究人员明确提出使用激光辐照进行金属零件表面纳米化的研究，但燕山大学的文海燕在她的硕士论文中提到，使用一定功率的激光以特定的工艺参数反复循环辐照，对Inconel718合金微观组织性能变化规律的研究过程中，在某一组处理参数下，Inconel718材料表层出现纳米晶粒结构。如图1所示。

    图1   Inconel718材料激光表面处理后断口扫描电镜照片 Tm=750℃，f=1/10Hz，N=1000 次

    2.2激光重熔（激光熔凝）表面纳米化技术

    激光重熔一般是指，用高能聚焦激光束将零件表面熔化而不加任何其他成分，以基体表层的快速融化和凝固细化晶粒、消除缺陷，达到表面组织改善的目的。激光重熔作为一种表面工程技术，已有大量的研究人员做过相关研究工作，研究指出通过激光重熔处理能够显著提高材料的表面硬度、抗腐蚀能力和磨损性能，但作为表面纳米化技术尚无人单独明确提出。吉林大学 Chengtao Wang、Peng Zhang分别在其论文中提到使用激光重熔处理GCr15、H13钢得到纳米晶粒组织这一事实。他们的做法是，如图2所示，将试件放在盛有去离子水的容器中，调整水量可调整液面到被处理面的距离，然后用Nd:YAG激光以一定的工艺参数进行试件表面重熔。其结果如图3、图4所示。

    图2 激光表面重熔装置和试件示意图

    图3 不同处理状态下H13钢微观结构（a）空气中， （b） 1 mm 水层， （c） 2 mm 水层， （d） 3 mm 水层。

    图4 不同处理状态下GCr15钢微观结构（a）1 mm 水层 , （b） 2 mm 水层， （c）3 mm 水层。

    2.3激光熔覆表面纳米化技术

    激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，激光辐照和激光重熔都是直接处理基体材料而不添加其他材料，但激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能量密度的激光束，使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆表面纳米化技术可以分为三个主要方面，第一方面，是采用类似激光重熔表面纳米化的方法，采取相应措施直接在激光熔覆的过程中使熔敷层形成纳米晶粒结构。这种方法又有两种类型，一种是熔敷料和基体成分基本不变，激光熔覆过程熔池的形成和冷却以物理过程为主，此种方法目前相关文献较为少见。另一种是在激光熔覆过程中熔敷料和基体，或熔敷料和熔敷料之间相互发生化学反应生成纳米颗粒或纳米尺寸组织，这种原位生成纳米结构涂层的方法也是现在表面工程技术的一个热门研究方向，如唐陈霞、赵剑锋等使用不同激光功率照射平均颗粒直径20nm的SiC粉末压块，在表面形成SiC纳米晶须如图5所示。

    图5 原位生成的纳米SiC晶须（a）200W （b）250W（c）300W （d）400W

    2.4激光冲击表面纳米化技术

    激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。激光冲击表面纳米化技术如图6所示，当短脉冲（ns）的高功率密度（GW/cm2 ）的激光照射到金属表面吸收层时，吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压（GPa）等离子体，该等离子体受到约束层的约束，产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播，在材料表层形成密集、稳定的位错结构，位错再通过滑移进行塑性变形，而冲击波在晶界上的反射和折射作用，使得冲击波在多方向上作用于晶粒，从而位错进行复杂的滑移、集聚和湮灭后形成新的晶界，形成较小的亚晶和纳米晶。聂祥樊等对TC6钛合金进行了激光冲击试验研究，试验表明，单次冲击试验后材料表面出现大量高密度错位，3次激光冲击处理后，主要形成100~200nm亚微米晶粒，冲击5次后形成40nm左右的均匀分布晶粒，继续增加冲击次数对晶粒的细化帮助不大，但有助于提高纳米晶的均匀程度，实验结果如图7所示。

    图6 激光冲击原理示意图

    图7   不同冲击次数下TC6表面的微观组织特征

    2.5 激光表面刻蚀

    纽约罗切斯特大学的研究者们通过用飞秒激光脉冲轰击普通金属而研发出了一种非同寻常的新型表面材料，它可以有效地吸收光能，防水以及自我净化。通过超能激光脉冲在金属表面刻蚀出大量肉眼不及的诸如洼坑、小珠状和细纹等“痕迹”，这些痕迹形成了密集分布且高低不平的纳米微结构。这种纳米微结构从根本上改变了金属表面的光学性质和润湿性质。

    图 8飞秒激光在金属表面刻蚀出的层次结构，水珠从被该技术处理过的样品表面上滑落

    2.6 激光表面纳米压印

    普渡大学的博士生和教授开发出激光震动压印技术这种技术能够在室温条件下创建小至10纳米的3D晶体金属结构，而且其表面十分光滑。这种方法能够在一个金属片上用纳米级的3D结构组成大面积的图案，并可能导致创新性的低成本规模制造方式的出现，比如“电浆子超颖材料（plasmonic metamaterials）”在先进技术领域的使用。他们经使用这种技术用钛、铝、铜、金、银等金属做材料生成了各种纳米形状，比如纳米金字塔、齿轮、短板、槽和渔网等，如图9所示，这些形状的大小只有人的头发宽度的几千分之一。这种“震动诱导成型”技术能够非常精确地定义角度和垂直面。

    图9 几种激光纳米压印图案

    2.7其他激光表面纳米图案化方法

    其他还有一些材料表面激光纳米图案化的方法，比如激光毛化，激光微纳造型等方法。

    3总结

    表面处理技术的应用历史悠久，但表面工程技术从概念提出到发展成为完整的学科体系时间，到现在却只有几十年， 激光技术和纳米技术与表面工程技术相结合的激光表面纳米化技术或也可称之为激光纳米表面工程技术，虽然其所使用的各种激光表面处理技术，如激光辐照、激光重熔、激光熔覆和激光冲击，已经有很多的研究资料并取得了丰硕的成果，但专门有针对的运用这些技术，进行表面纳米化处理的研究还比较少，并且也没有系统化，而激光表面纳米图案化的发展尚处于初期阶段，所以这一领域还有很多的研究工作可做。

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责任编辑：王元

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