激光表面改性技术专栏

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激光表面改性技术专栏

刘秀波，仝永刚

激光表面改性技术利用高能激光束快速加热工件表面，改变材料表面微区的组织结构，从而使材料表层的物理、化学、力学性能产生变化，以提高材料表面的耐磨、耐蚀和抗氧化等性能。随着工业化的快速发展，越来越多的金属部件被用于极端工作环境，如航空航天、工程机械和海洋工程等领域，对材料性能有很高的要求。激光表面改性技术在高效制备表面耐磨防腐抗氧化涂层领域发挥着重要作用。为进一步推动激光表面改性技术的发展，《材料保护》特开设“激光表面改性技术”专栏，诚挚邀请了在相关领域有所成就的部分专家学者撰稿，重点推介我国在相关领域的研究进展。我们期望该举措能为相关领域从业人员提供更好的成果宣发和学术交流平台，推动激光表面改性技术的产学研用融合创新，引领相关产业高质量发展，期待并热诚欢迎专家学者及工程技术人员进一步深入探讨和继续赐稿交流。

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材料保护(12)

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2025(12)

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激光表面改性技术专栏(12)

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激光表面改性技术专栏
激光增材制造表面完整性理论与控制技术的研究现状

徐一飞, 刘福朝, 孙耀宁

材料保护. 2025, 58(5): 1-11. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0073

摘要 (21) PDF全文 (20) 可视化收藏

激光增材制造技术虽然具有极高的设计灵活性和制造多功能性，但在应用中其制造的一致性、重复性和质量的可靠性、可预测性难以保证，这就意味着开展表面完整性的理论与控制技术研究，实现以服役性能的精准保证为目标的加工过程定量控制，将成为推动激光增材制造过程精准调控的关键。因此，通过实验和仿真来研究工艺-结构-性能-服役(PSPP)关系是进一步提高增材制造能力的行之有效的策略。本文首先简要概述了激光增材制造技术的分类，并对过程控制进行了描述；然后，讨论了表面微观结构、内部缺陷、表面粗糙度和残余应力如何影响激光增材制造构件的力学和服役性能；并探讨了引入机器学习对PSPP 的非线性过程的影响；最后，讨论了激光增材制造表面完整性控制技术未来的发展趋势。
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激光表面改性技术专栏
激光刻蚀与电沉积复合技术制备超疏水表面的研究进展

任志超, 侯媛媛, 巴召文, 吴永玲, 刘明明

材料保护. 2025, 58(5): 12-31. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0074

摘要 (17) PDF全文 (25) 可视化收藏

超疏水表面因其卓越的防腐、自清洁、防冰等性能，在表面工程、应用科学及微纳制造等领域展现出重要的应用潜力。因此，超疏水表面的制备及相关工艺优化已成为当前学术研究的热点。其中，激光加工与电沉积技术因其工艺成熟性，在超疏水表面制备中得到了广泛关注。本文系统地综述了激光、电沉积及其复合工艺在制备超疏水表面的研究现状。首先，阐述了超疏水表面的定义及润湿性理论，并详细分析了电沉积和激光刻蚀作用机理，归纳了相关研究成果；其次，针对激光与电沉积复合工艺，总结了其在制备超疏水表面方面的优势及研究进展；最后，讨论了当前复合工艺在实际应用中面临的技术瓶颈，并对未来的研究方向进行了展望。
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激光表面改性技术专栏
凸轮挺柱激光表面改性及减摩抗阻研究进展

张翼鹏, 陈文刚, 张垚, 杨晓东, 谢瀚翀, 冯金明

材料保护. 2025, 58(5): 32-49. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0075

摘要 (13) PDF全文 (10) 可视化收藏

减少摩擦损失是提高发动机效率的一个重要方面。凸轮挺柱机构作为发动机配气机构的一个重要组成部件，在发动机配气机构中的摩擦消耗的能量占比超过了70%，因此针对凸轮挺柱摩擦副的摩擦磨损性能进行研究，是保证发动机拥有良好使用效率的不可或缺的一环。在各种表面处理技术中，激光表面处理技术已经广泛应用于改善材料摩擦性能等方面，在减摩减损方面有着优异表现。本文概述了凸轮挺柱摩擦副磨损机理的研究进展，总结了其摩擦磨损的影响因素，从激光淬火、激光熔覆涂层、激光表面织构3 个方面对凸轮挺柱摩擦副减摩效果进行了分析，可为后续研究者在该方向的研究提供参考；最后结合现有研究与未来需求，针对激光表面处理技术应用于凸轮挺柱的减摩研究做出展望。
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激光表面改性技术专栏
热处理对激光熔覆TiC强化Inconel718复合涂层组织结构和性能的影响

李凌霄, 卢盛儒, 仝永刚, 胡永乐, 杨玲伟, 伍鹏飞, 方靖中

材料保护. 2025, 58(5): 50-62. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0076

摘要 (12) PDF全文 (13) 可视化收藏

为了提高激光熔覆TiC 强化Inconel718 复合涂层的硬度与耐磨性，对TiC/Inconel718 复合涂层进行了固溶和时效处理，并研究了热处理与TiC 含量对TiC/Inconel718 复合涂层显微组织、硬度和摩擦磨损性能的影响。研究发现，在热处理后TiC/Inconel718 复合涂层的微观结构发生了显著变化:大部分Laves 相溶解，同时析出了(Nb，Ti)C 碳化物，沉淀相析出更加均匀。此外，热处理还促使了强化相的析出以及细小尺寸TiC 的形成。碳化物的形成、热处理后强化相的析出以及细小尺寸TiC 的析出显著增强了复合涂层硬度与摩擦磨损性能。在热处理后，TiC 含量为30%(质量分数)的复合涂层硬度最高，达到764 HV0.2。在高温环境下，热处理后的复合涂层具有更优异的耐磨性能，随着TiC 含量的增加复合涂层的磨损机制由黏着磨损、磨粒磨损变为轻微磨粒磨损。涂层的硬度和高温耐磨性能的提升归因于热处理后强化相的析出与不同尺度TiC 的增强作用。
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激光表面改性技术专栏
DZ125高温合金激光熔覆组织及其耐腐蚀性能研究

吴雨莼, 陈泰黎, 牛凡, 景文凯, 韦文磊, 余磊, 侯廷红, 蔡振兵

材料保护. 2025, 58(5): 63-71. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0077

摘要 (16) PDF全文 (13) 可视化收藏

为了进一步研究DZ125 镍基高温合金在激光熔覆修复后的微观组织性能，本研究采用激光熔覆技术将CoCrW 粉末熔覆在基体表面，制备了熔覆层。随后分别对基材(BM 试样)和熔覆试样(LC 试样)在700 ℃下进行100 h 的高温保温试验。将基材和熔覆试样的表面进行了盐膜涂敷，并在相同高温条件下进行100 h 的保温试验，分析高温氧化腐蚀对合金显微组织、显微硬度及成分组成的影响，探究在涂盐热腐蚀环境下熔覆层的耐腐蚀性能。结果表明:从基材到过渡层和熔覆组织，显微硬度逐渐增加，熔覆组织的硬度高达559 HV0.2，试样在高温下保温后产生了明显的氧化，热盐环境下的试样氧化程度加剧，氧化层的厚度相对无盐环境下出现明显增厚，并且出现了更多的剥落坑。但是相对BM 试样，LC 试样在2 种环境下的氧化程度较轻，这表明激光熔覆组织相对基材具有更强的耐腐蚀氧化性能。
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激光表面改性技术专栏
工艺参数对激光选区熔化制备生物医用Ti-15Mo合金组织及性能的影响

朱红梅, 沈少凡, 王云飞, 潘存良, 罗浩

材料保护. 2025, 58(5): 72-81. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0078

摘要 (12) PDF全文 (8) 可视化收藏

为了优化激光选区熔化技术制备生物医用Ti-15Mo 合金的工艺参数，利用光学显微镜、X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、万能试验机、电化学工作站等设备系统研究了激光工艺参数对试样的相对密度、微观组织、力学性能以及耐腐蚀性能的影响。结果表明:随着激光能量密度的升高，Ti-15Mo 合金的相对密度呈先逐渐增大而后趋于平稳的趋势；试样沿垂直方向为等轴晶而沿平行于沉积方向为柱状晶，物相组成为bcc 结构的单一β 相；试样的力学性能与相对密度呈正相关。当激光功率为175 W、扫描速度为1 500 mm/s、扫描间距为80 μm 时，试样的相对密度达99.84%，综合性能最佳:极限抗拉强度、延伸率、弹性模量分别为801.0 MPa、24.0%、90.6 GPa；试样的腐蚀电流密度为0.059 μA/cm2，腐蚀速率为0.05 μm/a，满足生物医用植入物材料要求。
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激光表面改性技术专栏
激光熔覆FeCrBSi中熵合金涂层的腐蚀磨损行为

王彦芳, 张云鹏, 曹琛婕, 刘燕乐, 王蕴轩, 石志强

材料保护. 2025, 58(5): 82-90. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0079

摘要 (15) PDF全文 (17) 可视化收藏

海洋油气工程装备由于海水腐蚀和机械磨损，损失严重。兼具耐磨耐蚀性能的中熵合金是理想的表面防护涂层材料。在316L 不锈钢基材表面激光熔覆FeCrBSi 中熵合金涂层，利用X 射线衍射(XRD)、金相显微镜和电化学腐蚀摩擦磨损试验仪分析熔覆层的组织结构和腐蚀磨损耦合损伤行为。结果表明，熔覆层由FCC＋BCC 双固溶体相组成，熔覆区主要为树枝晶，结合区为平面晶。 FeCrBSi 中熵合金熔覆层的平均硬度为939 HV0.2，约是316L 不锈钢基材的4.4 倍；随摩擦载荷增大，FeCrBSi 中熵合金熔覆层的摩擦系数减小，平均摩擦系数在0.2～0.5之间，最大磨损量为0.052 mm3，较基材耐磨性明显提升；在3.5%(质量分数) NaCl 溶液中，熔覆层的自腐蚀电位为－0.05 V，自腐蚀电流密度为1.45×10－7 A/cm2，耐蚀性优于316L 不锈钢。在摩擦载荷与外加电位腐蚀耦合作用下，随外加电位的升高，平均电流密度和磨损量增大，摩擦系数减小。腐蚀与磨损相互促进，但腐蚀促进磨损损失量占总损失量的92.5%以上，占主导地位。
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Cr12MoV模具钢表面TiC-Ni60熔覆层的显微组织与耐磨性能研究

黄皓天, 田富强, 仝永刚, 胡永乐, 王开明, 张明军

材料保护. 2025, 58(5): 91-99. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0080

摘要 (13) PDF全文 (18) 可视化收藏

为了提高冷作模具钢表面耐磨损性能，延长其服役寿命，引入硬质TiC 作为强化相，采用激光熔覆技术在Cr12MoV 冷作模具钢表面分别制备了Ni60 和TiC 强化Ni60 复合熔覆层，使用电子显微镜、球-盘式高温摩擦磨损试验机及超景深显微镜对比研究了熔覆层的显微组织结构与摩擦磨损性能。研究表明:TiC 陶瓷在激光熔覆过程中会熔解进入熔覆层熔池，在冷却过程中析出2 种不同尺度的TiC 强化相，细小的TiC 弥散分布在熔覆层中，有效抑制组织内部的晶粒粗化；粗大块状的TiC 团聚在一起，形成硬质相颗粒，2 种不同尺度的TiC 显著增强了熔覆层的硬度和耐磨性。 TiC 强化Ni60 复合熔覆层的平均显微硬度达到869.5 HV0.2，是Cr12MoV 冷作模具钢的2.03倍。因为不同尺度TiC 的强化有效阻止了磨粒的微切削作用，使得复合熔覆层具有更优异的摩擦磨损性能。 TiC的加入降低了复合熔覆层的摩擦系数，磨损体积较Cr12MoV 冷作模具钢减小约86.4%。复合熔覆层的磨损机制主要为磨粒磨损以及轻微的黏着磨损。
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30CrMnSiA叉形件的激光熔覆修复组织和性能的研究

呼树增, 程东海, 巢昺轩, 应俊龙, 王德, 王骏, 王文琴

材料保护. 2025, 58(5): 100-104. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0081

摘要 (11) PDF全文 (11) 可视化收藏

30CrMnSiA 钢被广泛用于特殊工装零件，这些工装零件在使用过程中经受循环应力而经常出现疲劳断裂等损伤。采用激光熔覆技术，在工艺试验基础上，选取最优参数对30CrMnSiA 损伤叉形件进行了激光修复，并分析了其显微组织和力学性能，采用疲劳试验机测试了其疲劳寿命。结果表明:修复层内组织致密，修复层与母材结合界面为典型的冶金结合，未出现裂纹等缺陷。焊缝强度比母材高，拉伸断口基本都在母材处。疲劳循环次数达到606 501次，比标准零件疲劳寿命提升了21.3%，满足零件使用要求。
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高速激光熔覆开采机刀盘的涂层显微组织及耐磨性能研究

郭士锐, 丁首文, 崔陆军, 陈水生, 杜全斌, 郭钏, 薛晓强

材料保护. 2025, 58(5): 105-112. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0082

摘要 (12) PDF全文 (14) 可视化收藏

为了改善煤矿开采机刀盘的合金涂层组织，提高力学性能，采用2 种扫描速度(0.5 m/min 和12 m/min)在开采机刀盘表面制备Fe 基合金熔覆层(S1 和S2)。通过扫描电镜(SEM)、维氏硬度计、X 射线衍射仪(XRD)对涂层金相显微组织、力学性能以及摩擦磨损性能进行分析。结果表明:2 种涂层组织致密，无气孔和裂纹等缺陷，2 种激光熔覆涂层的顶部为等轴晶，涂层的中部为柱状晶，涂层底部为平面晶，S2 的整体组织形貌较为细小；熔覆层主要由α-Fe 固溶体、Cr2B 和FeNi 组成，S1 中有γ-Fe 相析出，S2 的α-Fe 相的衍射角度相对S1 向低角度偏移；2 种涂层的显微硬度均高于基体，S2 涂层的显微硬度最高，达到651 HV0.5；涂层的强化机制主要为细晶强化和固溶强化；S2 的摩擦磨损性能最好，基体的磨损率是S2 的7.3 倍，基体的磨损机理为黏着磨损，涂层的磨损机理主要为磨粒磨损。
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激光熔覆AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的工艺参数优化及组织性能研究

李赞松, 王东生

材料保护. 2025, 58(5): 113-122. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0083

摘要 (19) PDF全文 (16) 可视化收藏

为研究工艺参数对AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金(EHEA)微观组织和力学性能的影响，采用正交试验法和综合评分法初步确定了激光熔覆AlCoCrFeNi2.1EHEA 的最佳工艺参数组合，并对评分最高的4 号(激光功率:1 800 W、扫描速度: 360 mm/min、送粉速率:2.1 r/min)、5 号试样(激光功率:1 800 W、扫描速度:420 mm/min、送粉速率:2.4 r/min)进行多道单层激光熔覆试验，对其微观组织和力学性能进行研究。结果表明:激光熔覆AlCoCrFeNi2.1 EHEA涂层主要由FCC 和BCC 双相组成。多道单层5 号试样表层主要为等轴晶组织，晶粒大小均匀一致；而多道单层4 号试样表层主要由柱状晶和等轴晶组成，晶粒尺寸较大且不规则。进一步研究发现，5 号试样的显微硬度和耐磨性均优于4 号试样。 5 号试样的平均显微硬度高(323.7 HV1.0)，平均摩擦系数低(0.64)，磨损率和磨损体积小[1.16×10－6 mm3/(N∙mm)和14.4 mm3]。综上所述，激光熔覆AlCoCrFeNi2.1 EHEA 最佳工艺参数组合为激光功率1 800 W、扫描速度420 mm/min、送粉速率2.4 r/min。
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不同Y₂O₃含量对激光熔覆Ni 基WC 陶瓷复合涂层组织的影响

金丽君, 刘振振

材料保护. 2025, 58(5): 123-128. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2025.0084

摘要 (8) PDF全文 (17) 可视化收藏

为研究不同Y2O3含量对激光熔覆Ni 基WC 陶瓷复合涂层组织的影响，利用900W YAG 固体激光器在9SiCr 基体表面熔覆Ni 基WC 陶瓷复合材料涂层，利用扫描电镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)研究了Y2O3对涂层组织的影响及Y2O3的作用原理。结果表明:添加Y2O3会引起涂层相组成的相对比例发生变化。 Y 元素主要集中于晶界边缘处，加入适量Y2O3可以有效地减少熔覆过程中涂层的缺陷，提高涂层的致密性，使涂层组织更加均匀，有效细化晶粒。当Y2O3添加量为1.5%时，所制备涂层组织的均匀性最高。

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