高能束表面改性技術(shù)

高能束表面改性技術(shù)第1頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四定義：當(dāng)高能束發(fā)生器輸出功率密度達(dá)到103W/cm2以上的能束，定向作用在金屬表面，使其產(chǎn)生物理、化學(xué)或相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到表面改性的目的，這種處理方式稱為高能束表面改性。第2頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四特點(diǎn)：（1）高能束熱源作用在材料表面上的功率密度高、作用時(shí)間極其短暫，即加熱速度快、冷卻速度亦快，處理效率高。（2）高能束表面改性是靠束流作用在金屬表面，對(duì)金屬進(jìn)行加熱，屬非接觸式加熱，沒有機(jī)械應(yīng)力作用。（3）高能束表面改性具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：如離子注入，不像熱擴(kuò)散那樣，將受到化學(xué)結(jié)合力、擴(kuò)散系數(shù)和相平衡規(guī)律的限制。（4）由于高能束作用面積小，金屬本身的熱容量足以使被處理的表面驟冷，保證完成馬氏體的轉(zhuǎn)變；而且急冷可抑制碳化物的析出，從而減少脆性相的影響，并能獲得隱晶馬氏體組織。第3頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四按高能束束流特征分類

第4頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四按相變類型分類第5頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高能束與金屬材料的交互作用能量傳遞與轉(zhuǎn)換高能束與和物質(zhì)的三種作用類型：熱作用、力作用、光作用第6頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四E0=E反射+E吸收+E透過式中E0-入射到材料表面的高能束能量E反射-被材料表面反射的能量E吸收-被材料表面吸收的能量E透過-高能束透過材料后的能量第7頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四金屬材料對(duì)高能束而言，是束流不能穿透的材料，因此當(dāng)高能束粒子照射金屬材料時(shí)，其入射能量最終分解為兩部分：一部分被金屬表面反射掉，而另一部分則被金屬表面所吸收。當(dāng)金屬表面吸收了外來能量后，將導(dǎo)致晶格點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)原子的激活，進(jìn)而使光能（激光束）或電能（電子束或離子束）轉(zhuǎn)換成熱能，并向表層內(nèi)部進(jìn)行熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散，以完成表面加熱過程。第8頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四<1>熱作用激光光子的能量向固體金屬的傳輸?shù)倪^程就是固體金屬對(duì)激光光子的吸收的過程。激光與金屬材料交互作用而產(chǎn)生的加熱效應(yīng)取決于材料對(duì)激光光子的吸收。<2>力作用當(dāng)激光束強(qiáng)度遠(yuǎn)低于熔化門坎值時(shí)，由于金屬表面高的溫度梯度，在亞表層區(qū)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻應(yīng)變。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)，材料會(huì)發(fā)生塑性變形。用激光照射金屬表面，表面溫度的迅速增加會(huì)使材料發(fā)生膨脹，平行于表面的位移受到周圍材料的約束，會(huì)產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。如果超過了材料的彈性極限，就會(huì)發(fā)生塑性變形，使材料擠出自由表面。在冷卻時(shí)，材料發(fā)生收縮。如果拉應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，冷至初始溫度時(shí)就會(huì)發(fā)生拉伸塑變。(3)光作用激光與金屬材料的交互作用也可以通過光作用而實(shí)現(xiàn)，不過這種作用是一種間接的作用。由于這種作用主要用來制備特殊的非金屬材料和無機(jī)材料，如金剛石薄膜、類金剛石薄膜等。第9頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高能束加熱引起的物質(zhì)狀態(tài)變化圖12-1第10頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光表面改性技術(shù)激光表面處理的目的：是改變表面層的成分和顯微結(jié)構(gòu)；激光表面處理工藝包括：激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光沖擊硬化等：第11頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第12頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第13頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光束與材料表面的相互作用

激光束照射到材料表面時(shí)，與材料間的相互作用根據(jù)輻射密度與持續(xù)時(shí)間分為以下幾個(gè)階段：①激光照射到材料表面；②激光被材料吸收變?yōu)闊崮?；③表層材料受熱升溫；④發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變、熔化甚至蒸發(fā)；⑤材料在激光作用后冷卻。當(dāng)激光輻射的功率密度與持續(xù)時(shí)間不變時(shí)，上述過程的進(jìn)展除取決于被處理材料的特性外，還與激光的波長(zhǎng)、材料的溫度和表面狀態(tài)等有關(guān)。第14頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四常用激光器CO2激光器CO2激光器輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，一般為15～20%.第15頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第16頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第17頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四氦-氖氣體激光器是最早出現(xiàn)的氣體激光器，也是目前用得最廣泛的典型原子激光器。它以連續(xù)放電激勵(lì)方式運(yùn)轉(zhuǎn)。其連續(xù)輸出功率最大為瓦級(jí)。第18頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四YAG激光器目前應(yīng)用最廣泛的一種固體激光器。波長(zhǎng)短。由于激光呈鮮紅色，除作其他用途外，也用在大功率CO2裝置上，作為校準(zhǔn)激光器。對(duì)于大多數(shù)材料，尤其是金屬材料，激光波長(zhǎng)越短，吸收系數(shù)越大，加熱效率越高。第19頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四表12-3各種激光表面改性工藝的特點(diǎn)第20頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光相變硬化又叫激光淬火。是在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，其表層被迅速加熱，并在激光停止輻射后快速自冷卻得到馬氏體組織的一種工藝方法。第21頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光相變硬化特點(diǎn)僅對(duì)工件局部表面進(jìn)行激光淬火，且硬化層可精確控制，因而它是精密的節(jié)能表面改性技術(shù)。激光淬火的硬度高，耐磨性好?？蓪?shí)現(xiàn)自冷淬火。極快的加熱速度104～106℃/s和冷卻速度106～108℃/s。生產(chǎn)效率高。對(duì)工件的許多特殊部位可實(shí)現(xiàn)激光淬火。工藝過程易實(shí)現(xiàn)電腦控制的生產(chǎn)自動(dòng)化。第22頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光作用下合金的相變特點(diǎn)相變的熱力學(xué)條件與常規(guī)淬火相比較，由于激光超快速的加熱速度，使其相變過程的溫度間隔顯著增大，即相變是在大的過熱度下完成的。相變完成后奧氏體成分很不均勻由于激光加熱相變完成時(shí)間很短，同時(shí)加熱區(qū)的溫度梯度很大，因而碳化物溶解以及奧氏體中碳和合金元素?cái)U(kuò)散再分布的情況，在激光加熱區(qū)不同部位之間有很大差異，即奧氏體的成分很不均勻。第23頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第24頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第25頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第26頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第27頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第28頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光非晶化激光非晶化:是利用激光快速加熱和快速冷卻的特點(diǎn)加熱材料表面使其熔化，并以大于一定臨界冷卻速度急冷至低于某一特征溫度，以抑制晶體形核和生長(zhǎng)，從而獲得非晶材料的技術(shù)。第29頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光非晶化原理其原理是基于被激光加熱的金屬表面熔化后，以大于臨界冷卻速度急冷，來抑制晶體的成核和生長(zhǎng)，從而在金屬表面獲得非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。與急冷法制得的非晶態(tài)合金相比，激光法制取的非晶態(tài)合金優(yōu)點(diǎn)：冷卻速度高；激光非晶態(tài)處理還可減少表層成分偏析，消除表層的缺陷和可能存在的裂紋。第30頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光熔凝激光熔凝：也稱激光熔化淬火。是將激光束加熱工件表面至熔化到一定深度，然后自冷使熔層凝固，獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。第31頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四其主要特點(diǎn)有表面熔化時(shí)一般不添加任何合金元素，熔凝層和材料基體是天然的冶金結(jié)合。在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時(shí)急冷重結(jié)晶獲得的組織具有較高的硬度、耐磨性和抗蝕性。其熔層薄，熱作用區(qū)小，對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大。表面熔層深度遠(yuǎn)大于激光非晶化。第32頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光合金化和熔覆第33頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光合金化激光合金化：是用激光將基體表面熔化，同時(shí)加入合金元素，在以基體為溶劑、合金元素為溶質(zhì)的基礎(chǔ)上構(gòu)成所需合金層的一種技術(shù)。第34頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四這種快速熔化的非平衡過程可使合金元素在凝固后的組織達(dá)到很高的過飽和度，從而形成普通合金化方法不易得到的化合物、介穩(wěn)相和新相，在合金元素消耗量很低的情況下獲得具有特殊性能的表面合金。第35頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四向工件加入合金粉末的方法有預(yù)置涂層法和同步送粉法，如下圖所示：第36頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光熔覆激光熔覆：是用激光將按需要配制的合金粉末熔化，成為熔覆層的主體合金，同時(shí)基體金屬有一薄層熔化，與之構(gòu)成冶金結(jié)合的一種表面處理技術(shù)。第37頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第38頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第39頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第40頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四激光沖擊硬化激光沖擊硬化：激光沖擊硬化主要是利用強(qiáng)激光與材料表面相互作用產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)——強(qiáng)應(yīng)力波來改善材料的性能。激光使材料表面薄層迅速汽化，產(chǎn)生沖擊波。沖擊波產(chǎn)生的壓力幅值大約為105大氣壓，它足以使金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，其結(jié)構(gòu)類似于經(jīng)爆炸沖擊及快速平面沖擊的材料中的亞結(jié)構(gòu)。第41頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四采用激光沖擊硬化，可強(qiáng)化焊縫熱影響區(qū)的金屬，還可以阻止或延緩材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。第42頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子束表面改性

電子束表面改性的原理：電子束照射到金屬表面時(shí)，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。能量傳遞主要是通過電子束與金屬表層電子碰撞而完成的，所傳遞的能量立即以熱的形式傳與金屬表層原子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。與激光加熱有所不同，電子束加熱時(shí)，其入射電子束的動(dòng)能大約有75％可以直接轉(zhuǎn)化為熱能；而激光束僅有1～8％可被金屬表面直接吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，其余部分基本上被完全反射掉了。目前，電子束加速電壓達(dá)125kV，輸出功率達(dá)150kW。能量密度達(dá)103MW/m2。因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。第43頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第44頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子束改性的特點(diǎn)

a)加熱、冷卻速度快。b)成本低。c)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。d)能量控制簡(jiǎn)便。e)電子束與金屬表面作用耦合性好，能量利用率高。f)處理中工件不被污染，質(zhì)量好。g)電子束加熱的深度和尺寸范圍比激光束大。電子束因易激發(fā)x射線，在使用中應(yīng)注意防護(hù)。第45頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子束改性的方法

第46頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子束表面硬化

定義：利用電子束轟擊金屬工件表面，使表面被加熱到相變溫度以上，高速冷卻產(chǎn)生馬氏體相變強(qiáng)化。比較適合于碳鋼、中碳低合金鋼、鑄鐵等材料的表面強(qiáng)化。第47頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第48頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子束表面熔凝

定義：用高能量密度的電子束轟擊工件表面，使表面產(chǎn)生局部的重新熔化，并在冷基體的作用下快速凝固，從而使組織細(xì)化，實(shí)現(xiàn)硬度和韌性的最佳結(jié)合。最適用于鑄鐵、高碳高合金鋼。第49頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子束表面合金化

定義：預(yù)先將具有特殊性能的合金粉末涂敷在基體金屬表面，再用電子束轟擊加熱，使特殊的合金粉末熔融在基體材料的表面上，從而在工件表面形成一層具有耐磨、耐蝕、耐熱等性能的新合金表面層。第50頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子束熔覆

定義：按需要在基體材料表面預(yù)先涂敷一層特殊性能的合金粉，并用電子束加熱將其熔化，在基體表面形成具有某些特性的覆層。第51頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

2Cr13鋼表面Co-Cr-W涂敷層硬度分布

第52頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子束表面非晶化

定義：利用聚焦的電子束高能量密度以及作用時(shí)間短的特點(diǎn)，使工件表面在極短的時(shí)間內(nèi)迅速形成小熔池，并在基體與熔化的表層間產(chǎn)生很大的溫度梯度，使表層的冷卻速度高達(dá)104~108℃/s。致使表層幾乎保留了熔化時(shí)液態(tài)金屬的均勻性，經(jīng)高速冷卻，在材料的表面形成良好的非晶層。第53頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子束表面改性離子注入的原理：離子注入：把某種元素的原子電離成離子，并使其在電場(chǎng)中進(jìn)行加速，在獲得較高速度后射入置于真空靶室中的工件表面，以改變這種材料表面的物理、化學(xué)及力學(xué)性能的一種離子束技術(shù)。第54頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第55頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子注入裝置簡(jiǎn)圖

第56頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子與工件表面原子電子發(fā)生以下過程：a電子碰撞；b核碰撞；c離子與工件內(nèi)原子作電荷交換。第57頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子注入強(qiáng)化機(jī)制固溶強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化晶界強(qiáng)化或細(xì)晶強(qiáng)化彌散強(qiáng)化晶格變換效應(yīng)壓應(yīng)力效應(yīng)非晶強(qiáng)化第58頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子注入的改性機(jī)理

提高材料表面耐腐蝕性能；提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度；提高材料抗氧化性能第59頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子注入提高材料表面硬度、耐磨性的原因：a固溶強(qiáng)化效應(yīng)：間隙原子和置換原子的固溶強(qiáng)化；b彌散強(qiáng)化效應(yīng)：注入非金屬元素形成各種氮化物、碳化物、硼化物等彌散相；c晶格損傷效應(yīng)：碰撞產(chǎn)生大量晶格損傷和位錯(cuò)，以及位錯(cuò)釘扎；d晶粒細(xì)化效應(yīng)：離子轟擊導(dǎo)致晶粒細(xì)化，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；e晶格變換效應(yīng)：晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，形成新材料。第60頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子注入提高材料疲勞強(qiáng)度的原因：a高損傷缺陷阻止了位錯(cuò)的移動(dòng)；b噴丸強(qiáng)化作用：更多離子加入近表面區(qū)域，使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，抑制裂紋的產(chǎn)生。第61頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子注入提高材料表面耐腐蝕性能的原因：a形成穩(wěn)定致密的氧化膜；b形成表面合金、亞穩(wěn)相合金、非晶態(tài)合金。第62頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離子注入提高材料抗氧化性能的原因：a注入元素在晶界富集，阻礙了氧