高能束加工技術(shù)在特種加工中的應(yīng)用

高能束加工技術(shù)在特種加工中的應(yīng)用

tybeam—前言高能耗介質(zhì)（hb）的加工技術(shù)利用高能量密度的蜀散（激光束、電子束、裝置等）作為震源，并以材料或部件為特殊加工技術(shù)。1束流加工和表面改性是束流能量密度的基礎(chǔ)因素之一，主要有三種不同HEDB包括激光束，電子束，離子束加工技術(shù)。用這類特殊的熱源對(duì)材料進(jìn)行加工，可實(shí)現(xiàn)三種類別的加工，即加熱、熔化、汽化加工處理。三種不同類別加工的特征是由束流能量密度、束流在材料上的作用時(shí)間以及材料本身熱物理特性所決定。在相變溫度區(qū)域加熱，可實(shí)現(xiàn)熱處理和表面改性(當(dāng)采用大能量密度、高速加熱和冷卻)，在鋼材的熔化溫度區(qū)域可用于焊接和釉化處理(當(dāng)采用大能量密度和短的作用時(shí)間)；在鋼材的汽化溫度區(qū)域則可實(shí)現(xiàn)切割(能量密度約104W/cm1.1激光表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)中常用的激光束有三種：即CO1.1.1局部加熱處理激光相變硬化又稱激光淬火，它是通過(guò)激光將金屬材料加熱到相變溫度以上，在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生馬氏體相變從而硬化材料表面，顯著提高材料的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。此技術(shù)的優(yōu)越性表現(xiàn)在可以局部加熱處理，顯著抑制變形，易于控制晶粒及組織形態(tài)，無(wú)需后續(xù)加工工藝。早在1975年，通用汽車公司就已運(yùn)用此技術(shù)處理鑄鐵汽車部件提高其耐磨性能。目前在汽車制造及精密機(jī)械行業(yè)，激光熱處理已有廣泛的應(yīng)用，如菲亞持集團(tuán)用其處理汽缸體，尼桑公司則用其處理發(fā)動(dòng)機(jī)及其傳動(dòng)部件1.1.2激光表面改性運(yùn)用較高能量密度的激光束使表面熔化并硬化表面，改善表層組織與結(jié)構(gòu)，韌化晶粒，這種技術(shù)稱表面重熔。此技術(shù)有兩個(gè)控制參量：溫度梯度與凝固速率，它們實(shí)際上受激光能量與照射時(shí)間所控制。一般熔化區(qū)深度為0.3～1μm。工藝處理后，原始粗糙的組織可顯著韌化，樹(shù)枝晶將變?yōu)轳R氏體、亞穩(wěn)相或非晶組織。激光表面置熔的最新進(jìn)展是將其應(yīng)用于凸輪軸的表面改性方面。許多發(fā)動(dòng)機(jī)都是應(yīng)用層片狀灰口鑄鐵作為凸輪軸材料。傳統(tǒng)處理技術(shù)如鎢極惰性氣體保護(hù)重熔或直接冷硬鑄造法能獲得耐磨性好的萊氏體表層組織。采用激光重熔技術(shù)同樣可獲得萊氏體組織，且更為方便、經(jīng)濟(jì)。一些大公司如VoIkwagen已開(kāi)始應(yīng)用此技術(shù)取代傳統(tǒng)處理方法。日本在此方面也申請(qǐng)了專利1.1.3激光合金化工藝激光表面合金化是利用高能量激光束使材料表面成分實(shí)現(xiàn)預(yù)期變化的一種高新技術(shù)。激光合金化特別適用于工件最重要部位的處理，如模具的刃口、凸輪軸的局部表面等。此法既改善了影響工件壽命和重要部位的磨損性能與壽命、又可簡(jiǎn)化工藝和節(jié)約昂貴的合金元素。此工藝已應(yīng)用于工業(yè)，如在含有N1.2磁場(chǎng)加速與會(huì)聚高能量電子流加工電子束技術(shù)是一種非接觸加工的高能束流加工技術(shù)。它利用經(jīng)高壓靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)加速與會(huì)聚的高能量電子流作為熱源，對(duì)工件或材料實(shí)施各種特殊的加工。由于它具有能量密度極高、熱效率高、精密易控及多功能等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，是高科技發(fā)展不可缺少的特種加工手段之一1.2.1熱焊接焊接電子束焊接技術(shù)是一種利用電子束作為熱源的焊接工藝，它利用經(jīng)高壓靜電場(chǎng)與電磁場(chǎng)加速與會(huì)聚的高能量密度電子束轟擊焊件表面，將電子的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽购讣宇^處的金屬熔融，達(dá)到焊接的目的。電子束焊接有能量高度集中（106～109W/cm電子束焊接主要用于焊接汽車工業(yè)中的如下零部件：手動(dòng)變速箱中的復(fù)合多聯(lián)齒輪；自動(dòng)變速箱中的行星齒輪變速器及液力變速器；渦輪增壓器；ABS剎車系統(tǒng)的液壓容器；后橋以及其它零件，如活門(mén)、火花塞、搖桿組件、配電器等1.2.2復(fù)合材料的表面應(yīng)用它是采用物理氣相沉積的方法，用高能量密度的電子束作為熱源，在真空中對(duì)涂覆材料進(jìn)行受控加熱，使之蒸發(fā)沉積到各種基體材料上，如鋼帶、塑料、紙、玻璃以及各種零件，從而獲得耐蝕、耐磨、耐熱以及特殊光電性能的各種表面特性。電子束鋼帶鍍膜是國(guó)際上近20年開(kāi)始應(yīng)用的一種鍍膜技術(shù)，它是用電子束鍍膜方法，在普通鋼帶上鍍以鋁、銅、鎳以及不銹鋼等金屬及合金材料，用于制造各種汽車壓力油管、家電邦迪管、鐐電池以及建筑裝飾、美化材料1.3非子束加工技術(shù)和應(yīng)用離子束作為高能束加工技術(shù)的一種，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料的加工，而且相對(duì)于常規(guī)加工技術(shù)有許多優(yōu)勢(shì)。以下介紹常用的加工技術(shù)。1.3.1離子注入的應(yīng)用采用離子注入技術(shù)作為金屬表面強(qiáng)化的研究始于70年代初，并已取得了可喜的成就。離子注入是根據(jù)被處理材料表面所需要的性能。選擇適當(dāng)元素的原子，使其在真空電場(chǎng)中離子化，并在高壓下加速注入到材料表層。離子注入將引起材抖表層成分和結(jié)構(gòu)變化，以及原子環(huán)境和電子組態(tài)等微觀狀態(tài)的擾動(dòng)，因此導(dǎo)致材料的各種物理、化學(xué)或力學(xué)性能的變化。離子注入一般在常溫或低溫下進(jìn)行。整個(gè)過(guò)程均在真空中完成，因而表面處理中無(wú)氧化和脫碳現(xiàn)象?？梢韵蚪饘倩蚝辖鸨砻孀⑷肴魏涡枰脑兀徽撍鼈儽緛?lái)是否互溶。離子注入的濃度可以很大，不受溶解度的限制，且與擴(kuò)散系統(tǒng)無(wú)關(guān)。離子注入后，測(cè)不出工件的尺寸變化，能保持原來(lái)的尺寸精度和表面超糙度。其注入層和基體不存在的明顯的界面，注入離子深度由離子具有的能量決定，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，且無(wú)廢物處理，清潔、安全可靠。目前離子注入工藝已應(yīng)用于許多工業(yè)部門(mén)，尤其是在模具制造業(yè)效果突出。1.3.2工作氣體涂層材料等離子噴涂是采用剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。工作氣體（N等離子噴涂材料主要是陶瓷、金屬陶瓷和固溶合金。涂層可有效提高結(jié)構(gòu)件的耐磨、耐腐蝕性。尤其是梯度涂層已成功解決了涂層和基體之間熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的應(yīng)力問(wèn)題，而且已廣泛應(yīng)用于航空，渦輪機(jī)葉片，工業(yè)泵等行業(yè)中2電子束與離子束的復(fù)合加工近年來(lái)，在HEDB加工技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中的一個(gè)值得注意的方向是復(fù)合加工方法的應(yīng)用。為了提高真空等離子噴涂的涂層質(zhì)量，可采用等離子———激光復(fù)合噴涂技術(shù)。等離子體與電子束的組合可以將電子束通過(guò)等離子體引入大氣。在等離子體內(nèi)實(shí)現(xiàn)電子束焊接，這種組合方案與直接將電子束引入大氣中的方案相比可以減小電子束能量在大氣中的損耗。激光束與離子束以及電子束與離子束的復(fù)合加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)為在材料表面制作非晶態(tài)膜或特殊功能薄膜提供了新的工藝方法。近年來(lái)，人們已