Microstructura și compoziția suprafeței controlează utilitatea și funcționalitatea componentei într-o măsură semnificativă. Prin urmare, o proiectare optimă a microstructurii și compoziției regiunii apropiate de suprafață este necesară pentru adaptarea proprietăților structurale și funcționale dependente de suprafață ale oricărei componente (ASM 1982). În plus, în componentele reale, proprietățile necesare pe suprafață sunt adesea diferite de cele din vrac. Ingineria suprafeței urmărește modificarea/schimbarea microstructurii și/sau compoziției regiunii apropiate de suprafață a unei componente pentru a îmbunătăți proprietățile de inginerie dependente de suprafață (ASM 1982). Avantajele ingineriei suprafețelor față de tehnicile de fabricație în vrac includ conservarea elementelor de aliere strategice și costisitoare, funcționalitate îmbunătățită, și o durată de viață îmbunătățită fără a modifica proprietățile materialului masiv și, prin urmare, economică în energie și cost. Există un număr mare de tehnici disponibile pentru modificarea chimiei suprafeței și microstructurilor componentei. Însă, alegerea tehnicii depinde de microstructura necesară, compoziția, grosimea, impactul asupra mediului și viabilitatea economică. Ingineria suprafeței cu laser este o tehnică emergentă de inginerie a suprafeței care implică adaptarea microstructurii și/sau compoziției regiunii de lângă suprafață a componentei folosind laserul ca sursă de căldură (Dutta și Manna 2011).

Atunci când un fascicul laser interacționează cu materia, există o absorbție de fotoni din fasciculul laser incident care excită electronii din benzile de valență/conducție la stări de energie superioară. Electronii excitați pot reveni la starea lor originală emițând fotoni care sunt echivaleni cu diferența de energii dintre stările excitată și neexcitată. Acești fotoni emiși interacționează cu fononul pentru a genera căldură. Durata de timp pentru interacțiunea excitației electronului cu electron-fonon este de 10^-9 s. Ca rezultat, există un transfer instantaneu de căldură în timpul procesului de interacțiune materie laser. Figura 1 ilustrează profilul de distribuție a energiei cu adâncimea în timpul iradierii cu laser a suprafeței solide. Pentru iradierea cu laser, intensitatea fasciculului (I) la orice adâncime (z) pentru fasciculul incident normal de intensitate inițială Io (în W/m²) este dată de (Picraux și Follstaedt 1983):

I(z,t) =Io(t)(1 - R)exp(- αz) (1)

unde Io este intensitatea incidentă, t este timpul, R și α sunt coeficienții de reflectivitate și, respectiv, de absorbție. Deoarece α este foarte mare (~10⁶ cm^-1) pentru metale, lumina este total absorbită la o adâncime de 10-20 nm. Eficiența cuplării optice este determinată de reflectivitate (R). R pentru metale este relativ scăzut la lungimi de undă scurte, crește brusc la o lungime de undă critică, apoi rămâne foarte mare la lungimi de undă lungi (Picraux și Follstaedt 1983). Datorită profilului exponențial de distribuție a energiei al fasciculului laser, acesta este capabil să încălzească în mod unic regiunea apropiată a suprafeței componentei pentru modificarea microstructurii sale fără a modifica compoziția (durificare, retopire, șocare, texturare și recoacere), sau ambele microstructurale, ca modificare compozițională a regiunii apropiate de suprafață (aliere, placare etc. ) a componentei (Dutta și Manna 2011). Avantajele aplicării laserului în ingineria suprafețelor față de tehnicile convenționale includ o viteză rapidă de încălzire/răcire (10⁴–10¹¹ K/s), un gradient termic foarte mare (10⁶–10⁸ K/m) și o viteză ultrarapidă de solidificare (1 –30 m/s) realizabile în timpul prelucrării suprafețelor asistate cu laser (Molian 1989). Aceste condiții extreme de procesare ar putea dezvolta microstructuri și compoziții metastabile în regiunea apropiată a suprafeței cu extindere mare a solubilității solidului.

Figura 2 prezintă clasificarea generală a ingineriei suprafețelor laser. Procesele sunt împărțite în trei clase majore, și anume procesul care implică doar încălzirea (fără topire), topirea (fără vaporizare) și vaporizarea. Regimul pentru tehnica individuală de inginerie a suprafeței laser ca funcție de densitatea puterii aplicate și timpul de interacțiune este ilustrat în Fig. 3 (Dutta și Manna 2011). Se poate observa că durificarea prin transformare necesită doar încălzire la suprafață și necesită o densitate de putere scăzută. Topirea, placarea, vitrarea și regenerarea suprafeței implică topirea și necesită o densitate de putere moderat de mare. Curățarea și durificarea prin șoc necesită îndepărtarea materialelor sub formă de vapori, prin urmare, este necesară livrarea unei densități de putere foarte mare. Prin urmare, un control atent și optimizarea mai multor parametri importanți ai procesului sunt necesare pentru realizarea unei microstructuri și compoziții dorite a suprafeței. Principalii parametri de proces activi în controlul microstructurii și compoziției suprafeței includ tipul de laser utilizat (lungimea de undă a laserului), densitatea de putere, dimensiunea fasciculului, geometria, distanța de lucru, viteza de alimentare cu pulbere și unghiul de depunere.

În acest capitol, cu o scurtă descriere a tehnicilor de inginerie a suprafeței cu laser, cum ar fi durificarea prin transformare cu laser, topirea și omogenizarea microstructurii suprafeței, alierea suprafeței cu laser și placarea suprafeței cu laser, rolul parametrilor de proces în controlul microstructurii și compoziției probelor de suprafață proiectate vor fi discutate în detaliu. În final, vor fi prezentate exemple de aplicare a tehnicilor de inginerie a suprafețelor cu laser.