何新天 刘建雄 吴正宇 詹肇麟
(昆明理工大学材料科学与工程学院,云南昆明 650093)
摘要：综述了激光技术与电镀和化学镀两种表面工程技术结合而产生的新领域的研究现状。根据激光处理介入沉积过程的阶段不同，可分为镀前、镀中和镀后激光处理。其中镀后处理又根据镀层与基材结合的情况不同分成激光合金化、激光熔覆和激光热处理。
关键词：激光镀；激光诱导沉积；激光表面合金化；激光熔覆；激光热处理；
激光是能量密度很高的热源，而且具有很好的方向性、单色性和相干性。利用这些特性，对金属或零件表面进行强化处理(包括激光相变硬化、激光合金化和激光熔覆等)可以改变金属或零件表面的微观结构，改善零部件的抗磨损、耐腐蚀和抗疲劳性能。激光加工的精度高，能量集中，对零件的热影响小。
电镀和化学镀作为传统的表面技术经过了长期的发展，工艺已经非常成熟。研究人员将激光和传统的表面技术结合，对这个交叉领域进行了许多研究。
激光对基体表面进行照射可以发生在电镀或化学镀过程中，也可以在这之前或之后。因此可以依据激光处理介入的阶段不同分为镀前、镀中和镀后激光处理。其中，对于镀后激光处理可以根据镀层与基体的结合情况分成三类：第一类，如果镀层和基体被激光熔化，并且镀层完全被基体稀释，则是激光表面合金化；第二类，如果镀层和基体部分熔化，镀层被基体部分稀释，镀层与基体界面为冶金结合，则是预置式的激光熔覆；第三类，如果镀层和基体没有熔化，没有冶金结合，则是激光热处理。第一类和第二类情况镀层是激光加工的预置层，是激光加工工艺的一部分。第三类是为了提高镀层的使用性能，是电镀或化学镀工艺的一部分。影响镀层与基体的结合情况的因素主要有基体与镀层的材料、镀层的厚度和激光的比能量Es=P/DV(P为激光功率，D为激光光斑面积，V为激光扫描速度)。作为激光表面合金化、激光熔覆，激光梯度熔覆前的预置涂层，镀层可以由一层或数层不同的具有一定厚度的材料组成。
镀前激光处理
镀前激光处理是在镀前用激光预处理基体，通过改变基体表层的组织结构及性能实现调整镀铬层界面处组织结构及性能。
1999年，陈光南提出在激光表面淬火的基体上镀铬，成功地解决了我国某型号武器镀铬身管的寿命长期不达标的关键技术难题[1]。预先激光相变硬化基体表层，然后再电镀硬铬，可以显著提高镀层的抗剥落能力，提高镀层与基体的结合性能，延长零部件使用寿命。
徐向阳等采用激光相变硬化的方法在电镀前对30CrNiMo钢基体表层预先进行处理[2]。结果表明，基体经激光相变硬化处理后，既可以促进镀层外延生长，又可以在镀层和基体之间实现硬度的梯度过渡，从而可以改善结合，缓解应力，提高承载能力，镀层的抗剥落能力和使用寿命得到显著提高。激光相变硬化得到细小的淬火马氏体，位错密度显著增加，表面活性增强，是促进镀层外延生长的主要原因。
周重光等采用特殊声光调制的高中频激光技术对PCrNi3MoVA钢基体强化处理，使基体表面形成按一定几何规律排列的微米量级的微坑，使得基体的表面形貌、微观组织、铬层与基体的结合等特征均发生了本质变化。它有效地增加了基体的表面积，有利于电沉积初期铬原子沿基体原有晶格的外延生长；有效地改善了铬层与基体的结合效果，提高了铬层抵抗复杂应力破坏的能力[3]。
Li Huaixue等研究了激光淬火基体对镀铬层抵抗接触变形的影响[4-5]。结果表明，激光淬火能够提高镀铬层抵抗接触变形能力。激光淬火基体不但通过提高基体的硬度增强电镀铬层抵抗接触变形能力，而且也提高了铬层自身的抵抗接触变形能力。
杨班权等研究了拉伸载荷作用下基体表层激光离散预处理对铬镀层/45钢基开裂行为的影响[6]。结果表明，有激光离散预处理钢基体试样的承载能力要高于无激光预处理钢基体试样的承载能力，且有激光处理的试样开裂区域在两个激光带之间(无激光处理区)，主裂纹呈现明显的周期性特征。激光预处理钢基体不仅改善了基体表层的应力状态和力学性能，而且还改善了后续铬镀层的力学性能。
一般认为，由于基体淬火，硬度提高，对镀铬层起到支撑的作用，提高镀铬层的抗疲劳和抗剥落的能力。但当温度升高后，基体软化，基体对镀层的支撑作用消失，在此情况下炮管寿命仍然能够延长50%以上。所以此理论解释镀铬身管寿命提高证据不充分，其机理有待进一步研究。
结束语
(1)尽管在这个交叉领域已研究开发了多种表面复合方法，这些表面复合方法显著地提高了材料的综合使用性能，但这些方法很多还停留在实验室研究阶段，要实现大规模的工业应用还有待科研人员的进一步努力。
(2)激光加工虽然用途广泛，但是激光设备需要大量的投资，运行和维护的费用较高。而且，由于电镀和化学镀带来的环境污染问题，需要投入资金采购污水处理设备，间接提高了产品的成本。因此这些表面复合方法的应用范围受到一定的限制。
(3)大多数激光加工的参数都要通过实验或经验数据取得，对于大批量的重复加工，这种方法的实验成本还可以接受，但是对于单件不重复的加工情况(比如模具)，实验方法的风险较大，可靠性较低。因此发展激光加工的数值模拟是未来的研究方向之一。
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