航空齿轮的良好力学性能是航空航天和高端装备等领域传递动力的重要保障。齿轮的齿面磨损、剥离和齿根的弯曲疲劳失效大多数是从齿轮表面发生，并不断向其心部进展直至最终失效从而影响齿轮正常服役。在不改变齿轮内部结构的基础上，表面强化技术可以对齿面和齿根不同部位进行精准改性，通过向表层组织引入梯度微观组织结构和梯度残余压应力场，有效改善齿轮的综合性能。该文围绕最近几年齿轮表面强化技术的国内外相关研究成果，介绍了齿轮的两种重要的传统热处理表面强化方法，总结了其原理、优点及不足；梳理了两种以激光为动力源的主要高能束齿轮表面强化技术，总结了其技术优势和局限问题；对以塑性变形为原理进行表面强化的喷丸和超声滚压进行对比分析，在此基础上以强化原理对三类复合强化技术进行分类总结；对齿轮表面强化技术进行总结和未来的发展趋势进行展望。0 引言齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动形式，在传动系统中具有不可替代的独特优势，因其具有传动比高和传动效率稳定等优点，通常作为各类机械传动系统的关键部件，被广泛应用于各类机械系统的传动装置。齿轮的性能直接影响到整个机械系统的整体性能，齿轮的安全服役性能，直接关系到其服役的传动系统安全服役寿命，影响到设备的安全生产。为了保证齿轮安全运转，其表面要具备足够的硬度和强度，以保证齿轮具有良好的安全使用寿命。因此，表面强化技术可以实现对齿轮表层强化处理，以满足齿轮表面具有较高的硬度和耐磨损性能，同时心部又具有良好的韧性使其保有足够的抗接触疲劳性能。一方面通过引入新物相，化学热处理表面强化技术，如渗碳、渗氮 、碳氮共渗等，一定程度上可提升耐磨损性能，但温度过高可能会影响金属材料的耐磨损性能。另一方面，通过形变实现齿面表层强度和韧性的提升以达到改善宏观力学性能，如机械喷丸，激光冲击强化等。随着齿轮传动性能的需求提升，新兴的表面强化技术和复合强化技术得到一定的发展，都已在齿轮表面强化处理得到应用，效果比较可观。本文综述了以相变为主的化学热处理表面强化、以形变为主的塑性变形表面强化和复合强化技术，最后对未来齿轮表面强化技术的发展趋势进行了展望。 

渗碳热处理原理是将工件置于特定热处理温度下的活性介质中。通过高温加热和一定时间的低温回火，利用气氛中的元素扩散行为进入工件表层，完成对工件表层化学成分和微观组织的改性，从而实现对工件表层材料力学性能的改性。由菲克定律可知，渗碳的温度高低和渗碳时间长短是决定渗碳质量优劣的关键条件。渗层较厚如图1所示 ，其热处理的温度一般为900℃~950℃。

图1 渗碳15ＭNNi4Ｍo钢的截面碳含量和硬度随距离表面深度的变化分布

热处理温度过高，热处理结果不理想，即引起齿轮表层晶粒粗化，形成不可避免的热变形，影响齿轮加工精度。这主要因为渗碳引入了新的碳化物物相，使得表面为高碳马氏体，达到较高的硬度以保证高耐磨性。同时，心部为低碳马氏体，保证了心部足够的韧性。较高的温度会引起齿轮热变形，低温渗碳热处理应运而生。因此，齿轮热处理的变形需要采用轻微磨削处理，以保证齿轮的加工精度。20世纪20—70年代，国外相关研究人员研究出不锈钢低温渗碳技术。其原理也是热处理，将渗碳温度从900℃降低到500℃以下（低于Ｍ23C6型的形成温度）。化学热处理强化技术，虽然可以一定程度上通过表层硬化来改善齿轮表面的耐磨损性能，但是也会降低齿轮的脆性。因此，对于齿面和齿根，一般需要分别进行表面强化，各自提升其耐磨损性能和抗疲劳性能，还可以通过表面复合强化达到兼顾耐磨损性能和抗疲劳性能的综合目的。

除了渗碳之外，渗氮也是一种常用的热处理技术，调控表层渗氮层微观组织结构。渗氮的工艺参数中，温度是等离子渗氮过程中的关键参数，影响渗氮层的宏观力学性能，其热处理温度一般为460℃~600℃。这个热处理温度与低温渗碳的热处理温度近似。由于热处理的温度较低，期间引起的热变形较小，渗氮可以作为中低碳合金材料齿轮加工的最终处理工艺。这也是渗氮得到不断推广应用的一个重要原因。渗氮处理之后的零部件，其表面的硬度得到一定程度提升，相应地提升了其耐磨损性能和耐腐蚀性能。目前，比较常用的渗氮技术主要是气体渗氮和离子渗氮，同时因渗氮的良好效果，常被用于对耐磨性能有较高要求的齿轮上，例如汽车齿轮和机床齿轮等。 

等离子渗氮的时间也是一个影响渗层质量的关键因素，渗层厚度ｄ与渗入时间ｔ的变化关系，可以表示为

式中：ｄ为渗层厚度，μｍ；ｔ为渗氮时间，s；Ｄ为渗氮扩散系数。随着渗层的引入，可以提升部件的耐磨损性能，但也会降低工件表层的韧性，脆性较大，耐磨损性能降低。 

激光淬火，又名激光相变硬化，原理如图2所示。起源于20世纪70年代，其原理主要是对钢铁和铸铁材料进行快速表面加热，使得材料表面瞬间升温到相变和熔点之间，实现金属材料相变，达到靶材力学性能改性的目的。传统的表面淬火主要有感应加热、火焰加热和电接触加热3种方式。表面淬火一方面可以形成较厚的淬硬层，约0.5~2.5ｍｍ，有效提升中低碳合金钢表面耐磨性。另一方面可以使得工件心部获得足够的韧性，提高其抗疲劳性能。此外，考虑表面淬火的经济性和节能性，其相关性能研究和数值模拟研究成果突飞猛进，使其成为齿轮表面强化的主要方法之一，并已在汽车小型齿轮厂广泛应用 。

图2 激光表面淬火原理示意图

与传统热处理淬火相比，激光淬火主要有以下优势： 

1）激光淬火处理速度高。激光淬火可实现快速加热和快速冷却，升降温速度可达104℃/s，扫描速度可达到10~20ｍｍ/ s以上，即可以在毫秒内完成淬火处理。因此，可以实现相对较高效率的加工。

2）硬化效果佳。激光因其能量密度高，工艺处理实践较短，对靶材引入的热变形较小。因此，不会引起原材料表面质量较大变化，对表面粗糙度影响不大。激光淬火促进靶材微观组织尺寸细化，引入的表层残余压应力分布均匀，提升靶材硬度水平较好，对钢材耐磨损性能有明显改善。

3）工艺周期短，可操控性强。激光光斑直径小，淬火区域较小，同时配备的数控系统可以灵活实现机械部件特殊位置/复杂形状等强化加工，例如倒圆角、槽、孔等部位。不仅工艺操控性强，一定程度上还可以提高加工效率，实现自动化生产。 

4）无污染，可实现清洁制造。激光制造工艺的主要能源是激光，属于清洁能源，从源头上避免了污染。同时，激光淬火不需要借助其它介质实现降温，从工艺操作上避免了污染和能源浪费。 

近年来，激光淬火发展迅猛，已经广泛应用于航空航天、冶金、汽车、航海等多个领域。但是，该项技术仍然存在一些理论、工艺和技术问题需要进一步解决： 

1）激光淬火诱导产生的残余应力过大，甚至会引发不必要的裂纹，需要后续二次处理。由于残余应力不能及时去除，并且淬火层不同相区的相变时间和相变速度不同，不能有效避免相近区域间产生的残余应力。 

2）淬火硬化层的均匀性问题。不论是激光全淬火还是激光离散淬火，扫描过程中，淬火区域不可避免会发生重叠，形成回火软化，引起相邻区域的硬化效果不一。最终，在后续的服役过程中，不同区域的服役寿命存在一定差异。 

3）工艺参数实时监测难。激光淬火过程中相变的温度变化都是瞬态，其中的应力和应变也是瞬态的。因此，不能实时获得良好的工艺参数，但如果多次测试积累工艺数据又会造成能源、人力和时间成本等大量浪费。

激光熔覆（laser cladding，LC），也被称为激光堆焊技术，指在移动激光束的照射作用下，金属或陶瓷粉末等熔覆材料与金属基材一起快速冷却熔凝，依靠自激冷却形成与基体材料形成冶金结合涂层的表面改性技术。激光熔覆具有以下优点：

1）热影响区小，对基体性能的影响较小；

2）熔覆层与基体层以冶金形式结合，结合强度高；选材可选性强，可将两种完全不同成分和性能的基体材料和熔覆层材料结合在一起，几乎不受基体材料与熔覆层种类的限制；

3）易于实现自动化，所用的激光等能量密度高、清洁无污染。 

对于激光熔覆技术的应用，针对目标部件服役性能的需求，可以通过选择不同熔覆材料对航空部件损伤部位进行精准修复，可以实现优异的耐磨损性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能等。我国激光熔覆技术在航空领域的应用开始于20世纪90年代。21世纪初，北京航空航天大学王华明院士团队对航空材料表面的激光熔覆技术的改性开展了大量研究工作，不仅耐磨损性能和高温氧化性能有效提升，还可以提高表面质量时降低表面粗糙度等。 

喷丸，是20世纪30年代美国汽车工业推出的表面强化技术，目前在汽车领域应用最为广泛，如变速箱齿轮、发动机和连杆等零部件，可以显著提升零部件的耐磨损、抗应力腐蚀、抗弯曲、抗疲劳和耐点蚀性能等。喷丸的原理如图3所示 。由图3（ａ）可以看出，喷丸可以诱导表层材料形成一定厚度的残余压应力场，这是表层材料塑性变形强化的结果。究其原因，主要是弹丸冲击表层材料引起的微观组织梯度变化，例如位错密度增大，晶粒尺寸细化等等，这是组织强化，如图3（ｂ）所示。喷丸作为一种兼具成本低廉、工艺简易、加工效率较高和强化效果明显等优势的表面加工技术，在齿轮加工领域越来越受到青睐。但是，机械喷丸后齿面粗糙度会有所增加，会对齿面表面质量带来负面影响，引起齿轮传动过程中的振动。

图3 金属材料喷丸强化示意图

超声滚压技术，其实是一种表面复合强化技术，其原理是将传统的机械表面滚压技术和超声加工技术复合在一起的表面技术。一方面相对于热处理来说，超声滚压是一种常温状态下的冷加工，该技术对靶材表层微观组织形成塑性变形能力，即冷作硬化。另一方面，超声滚压还可以明显改善靶材表面质量，有的表面滚压还可以实现镜面加工 。因为超声滚压可以通过塑性变形提升靶材表层硬度，引入残余压应力，如图4所示。因此，该技术可以有效改善靶材的耐腐蚀、耐磨损和抗疲劳等力学性能。

图4 超声滚压加工示意图

但是，超声滚压技术也存在一些需要解决的不足。 

1）超声滚压过程的稳定性。由于滚压参数控制和超声参数控制是两套系统，只有利用实时监测对过程参数实现实时调控，方可实现超声滚压技术的稳定性；

2）多物理场耦合的超声滚压技术原理有待进一步探究，因为目前主要针对单一物理场的强化过程；

3）超声滚压技术对金属材料的力学性能影响机制需要进一步深入研究，例如需要夯实原子尺度级别的界面相关理论研究基础。

热处理作为传统的齿轮钢相变工艺，被广泛应用于齿轮钢强化。20CrNi2Ｍo钢是一种被广泛应用的齿轮钢材料，陈健为提升其耐磨损和抗接触疲劳寿命，利用碳氮复渗技术对其复合渗处理，从微观组织结构、表面完整性和接触疲劳失效三者之间的关系，研究发现碳氮复合渗可以有效改善单一渗碳引起的表面质量下降的负面影响。这是因为C-N复合表层的微观组织分布更加均 匀，且长时间回火可以实现部分残余奥氏体向马氏体转变，以进一步改善单一渗碳后的表面质量。此外，在接触疲劳失效演化方面，发现复合渗后C-N复合层的高硬化和高残余压应力会将疲劳裂纹萌生位置延迟到次表面。因此，碳氮复渗对20CrNi2Ｍo钢的接触疲劳性能提升也优于单一渗碳或者分离式复合渗（C+N）。 

对于渗碳钢而言，渗碳可以获得新的物相从而实现相变，激光相变也可以实现相变。利用两种不同原理实现相变的复合强化，可以使齿轮钢获得更优的服役性能。因此，操应刚等利用渗碳和激光相变对16Gr3NiＷＭoVNbE钢进行复合强化，研究了不同相变复合强化对其韧塑性的变化。发现复合强化后，残余奥氏体的形状由薄膜状向块状转变，且数量不断增加，同时伴随着球状碳化物数量减少，最终得到了韧塑性优异的复合强化16Gr3NiＷＭoVNbE钢。 

通常为了提升齿轮的服役性能，需要对齿面进行高温渗碳处理。但是，齿根部位的弯曲疲劳和齿面的接触疲劳失效问题，一直是齿轮部件在服役过程中难点问题。除了利用两种相变技术对靶材进行复合强化，还可以利用塑性变形和相变进行复合强化，也能充分结合两种不同表面强化原理的优势。

为改善12GrNi3A齿轮钢的耐磨损性能，李靖等利用激光冲击强化和渗碳复合工艺对12GrNi3A齿轮钢进行处理，结果表明激光冲击强化与渗碳复合处理后能够降低单一渗碳12GrNi3A齿轮钢试样的比磨损率51％。分析发现，激光冲击强化可以促进12GrNi3A齿轮钢的渗碳效果，可以促进渗碳层结构致密和大量细小碳化物甚至促进第二相强化作用，这些都可以提升12GrNi3A齿轮钢的耐磨损性能。但是，先渗碳再激光冲击强化，12GrNi3A齿轮钢的渗层的相变效果不明显，只有轻微的形变强化对12GrNi3A齿轮钢的耐磨损性提升有限。可以认为，先进行合适的形变强化，再进行合适的相变强化，对齿轮钢的服役性能效果更佳。不过，形变强化的强度也不是越大越好。常晓东等利用合适的喷丸强化与渗碳复合强化处理18Cr2Ni4ＷA齿轮钢，可以有效提升其接触疲劳性能。其主要原因一方面是喷丸强化在前，可以有效促进残余奥氏体向马氏体转变，进而提升其表面承载能力。另一方面，喷丸还可以引入一定厚度层的残余压应力场，可以有效阻碍和延缓接触疲劳裂纹的萌生和扩展。 

利用变形原理实现强化的表面强化技术不可避免会对工件的表面完整性产生影响，表面完整性参数也是对金属材料部件的宏观力学性能主要影响因素，例如磨损和疲劳性能。 

机械喷丸作为最常用的表面强化技术，二次喷丸可改善一次喷丸试样的表面完整性，同时也能进一步降低工件的表面粗糙度，力学性能方面表面显微硬度和残余应力的标准差都明显下降。对于喷丸和超声滚压复合强化，研究发现比同种表面强化叠加的复合强化比二次喷丸复合强化对表面完整性和表面显微硬度提升的效果更好，对应提升的残余压应力的标准差从89.50％下降到23.36％。可以发现，两种不同类别的形变表面强化比相同类别的表面强化技术复合叠加对工件表面完整性改善效果更加显著。结合喷丸对近表层影响优势和激光冲击强化对近表层以下的影响优势特征，激光冲击与喷丸复合强化不仅可以进一步提升残余应力稳定性，还可以有效降低激光冲击强化带来的残余应力梯度变化。因为喷丸和激光冲击强化的作用机制都以形变为主，其强化的先后顺序对其复合强化的残余应力稳定性效果影响不大。 

1）对齿轮钢表面耐磨损性能的改性，主要是利用不同技术手段实现齿面表层加工硬化。本文梳理传统齿轮表面强化渗碳和渗氮两大主要的热处理方式，利用加热的方式使得C元素或者N元素通过活性介质渗入到工件内部，借助形成渗层的微观组织、相成分和残余应力改变实现对齿轮钢的服役性能优化。高能束的激光表面强化也是利用能束带来的热量实现对靶材的热处理，达到对齿轮钢的耐磨损性能改性。 

2）针对齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳的改性需求，主要通过引入塑性变形手段引入残余压应力，从而抑制裂纹萌生和扩展延长疲劳寿命。喷丸或者机械表面滚压等表面强化技术，可以引入残余压应力场和表层硬化，提升齿轮钢表层硬度同时不降低齿轮钢表面质量。 

3）综述了“相变＋相变”、“相变＋形变”和“形变＋形变”三类不同的齿轮钢表面复合强化技术。选择合适的表面强化技术进行复合强化，同时要考虑两种技术复合的先后顺序，兼顾不同单一表面强化技术的优势，弥补单一技术自身缺陷，可提升齿轮的综合服役性能，具有广阔发展空间。