不锈钢电子束表面改性的研究

1、 不锈钢电子束表面改性的研究 学校： 专业：材料成型及控制工程 班级： 110208 姓名: 学号： 20110664摘要：电子束加工利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。利用电子束进行表而热改性处理是材料表面处理的一种新兴技术。本文首先介绍了关于电子束表面改性的原理，发展，及应用。重点介绍了电子束表面改性技术对不锈钢的作用。在强流脉冲电子束作用下，316L不锈钢表面因MnS夹杂或界面过热喷发而形成火山坑，MnS夹杂物是轰击过程中形成火山坑的核心.随着轰击次数的增加，表层中MnS夹杂物随喷发而逐渐减少，实现了

2、材料的表面选择净化.与此同时，在反复轰击过程中，火山坑的密度随轰击次数减少，火山坑形态逐渐由心部有孔转变为心部无孔，表面缺陷得以修复.利用电子显微镜观测形貌及组织结构分析，并进行了显微硬度及磨损性能测试，结果表明，电子束轰击处理后试样的最表层发生熔化，晶粒明显细化，表面重熔层厚度最厚处达到了10um左右。试样次表层几百微米范困内都存在显微硬度增加现象，试样相对耐磨性也分别提高了。关键词：电子束表面改性，不锈钢，火山坑1.前言电子束加工技术简介【1】：电子束加工利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。电子束曝光则

3、是一种利用电子束辐射效应的加工方法。作为加热工具，电子束的特点是功率高和功率密度大，能在瞬间把能量传给工件，电子束的参数和位置可以精确和迅速地调节，能用计算机控制并在无污染的真空中进行加工。根据电子束功率密度和电子束与材料作用时间的不同，可以完成各种不同的加工。电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。【2】电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航空、航

4、天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。近年来，随着电磁场控制技术的发展，并结合电子束在磁场中易控的特点，开发了一种新型的电子束加工方法快速扫描电子束加工技术。这种通过电磁场的控制实现电子束的快速偏转扫描的方法越来越显出其技术的优势，在航空航天制造领域中获得了广泛的应用.3电子束技术是表面工程的一项重要的技术，也是较为先进的一项技术。电子加工技术的应用伴随着真空技术和电子光学技术的发展而发展。1905年，MarcelloVonPiran利用电子束成功地熔化了像担这样的难熔金属。4但由于真空技术和电子光学技术的滞后，该技术没能得到进一步的研究和应用。由于20世纪20年代中期电子光学和30

5、年代初真空技术得到迅速发展，电子束加工技术的先决条件基本形成。1938年，由于应用了磁透镜系统，电子束被聚焦并用来打孔和蒸发金属，然而真空技术仍不成熟020世纪50年代由于核工程和航天工程的发展需要新材料，这就需要新的加工手段咖电子束焊接)满足其加工要求。1957一1961年期间由于真空系统的完善，电子束技术被成功地用来焊接，从此电子束技术才真正用于工业生产中，直到1965年，利用电子束进行熔化、焊接和镀膜物理气相沉积)的技术才发展成熟并得到很好的应用。随着七、八十年代自动控制技术和电子计算机技术的发展，各种电子束加工技术和设备也迅速发展起来，图11为其典型的工作部分示意图。图11电子束加工工

6、作部分示意图1一电子枪;2一真空阀;3一真空泵系统;4一光学观察系统;5一工作室;6一工件;7一高压电源;8一调节线圈;9-磁透镜;10一偏转线圈;11一真空泵系统控制单元;12一操作面板。2.原理电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105109w/cm2）的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。电子束加工

7、机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。按照电子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热效应和电子束化学效应。电子束热效应是将电子束的动能在材料表面转化成热能，以实现对材料的加工。电子由电子枪的阴极发出，通过聚束极汇聚成电子束，在电子枪的加速电场作用下，电子的速度被提高到接近或达到光速的一半，具有很高的动能。电子束再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用，汇

8、聚成更细的束流。束斑的直径为数微米至1mm，在特定应用环境，束斑的直径甚至可以小到几十纳米，其能量非常集中。电子束的功率密度可高达109W/mm2。当电子束轰击材料时，电子与金属碰撞失去动能，大部分能量转化成热能，使材料局部区域温度急剧上升并且熔化,甚至气化而被去除，从而实现对材料的加工。电子束化学效应是利用电子束代替常规的紫外线照射抗蚀剂以实现曝光，其中包括1）扫描电子束曝光，用电子束按所需的图形，以微机控制进行扫描曝光，其特点是图形变换的灵活性好，分辨率高；2）投影电子束曝光，这是一种大面积曝光法，由光电阴极产生大面积平行束进行曝光，其特点是效率高，但分辨率较差； 3）软X射线曝光，软X射

9、线由电子束产生，是一种间接利用电子束的投影曝光法。3.电子束加工技术特点电子束加工的主要优点有：（1）电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为0.010.05毫米)，且可控, 以用于精密加工适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽；（2）功率密度高，能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等；（3）无机械接触作用，无工具损耗问题；（4）加工速度快，如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3000个，切割1毫米厚的钢板速度可达240毫米分。（5）设备的使用具有高度灵活性,并可使用同一台设备进行电子束焊接、表面改善处理和其他电子束加工;（6）电子束加工是在真空

10、状态下进行,对环境几乎没有污染;（7）对于各种不同的被处理材料,其效率可高达75%98%,而所需的功率则较低;（8）能量的发生和供应源可精确地灵活移动,并具有高的加工生产率;（9）可方便地控制能量束,实现加工自动化;其主要缺点有:（1）由于使用高电压，会产生较强X射线，必须采取相应的安全措施；（2）需要在真空装置中进行加工；（3）设备造价高等。电子束加工对设备和系统的真空度要求较高,使得电子束加工价格昂贵,一定程度上限制了其在生产中的应用.。由于电子束流具有以上特点,目前已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打孔,复杂形状的铣切,金属材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和抛光,

11、以及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。随着研究的不断深入,电子束加工已成为高科技发展不可缺少的特种加工手段之一。4.电子束加工技术应用电子束加工主要用在以下几个方面上：（1）电子束表面改性，电子束表面改性是利用电子束的加热和熔化技术对材料进行表面改性。例如电子束表面淬火，电子束表面熔凝，电子束表面合金化，电子束表面熔覆和制造表面非晶态层。过改性后的材料表面组织结构得到改善，强度和硬度得到大幅提高，耐腐蚀性和防水性也相应地得到增强。（2）电子束物理气相沉积，电子束物理气相沉积(EBPVD)是电子束技术与物理气相沉积技术的有机结合，是利用高能电子轰击沉积材料，使其迅速升

12、温气化而凝聚在基体材料表面的一种表面加工工艺。根据沉积材料的性质，可以使涂层具有优良的隔热、耐磨、耐腐蚀和耐冲刷性能，对基体材料产生一定的保护作用。（3）电子束打孔，电子束打孔用电子束对材料进行打孔加工时，要求电子束的能量密度需大于108Wcm2，每个电子束脉冲打一个孔，脉冲宽度一般只有几毫秒，脉冲的速率快，打孔的速度可以达到每秒几个到3000个孔。电子束脉冲的能量高，不受材料硬度的限制，没有磨损，可以对难熔、高强度和非导电材料进行打孔加工。并且电子束的束斑形状可控，能加工各种孔，加工效率高，加工材料的适应范围广，加工精度高、质量好，无缺陷，一般不需要二次加工。4、电子束焊接，电子束焊接具有焊

13、缝深宽比大，焊接速度快，工件热变形小，焊缝物理性能好，工艺适应性强等优点，并且能改善接头机械性能减少缺陷，保证焊接稳定性和重复性,因而具有极为广阔的应用前景。5.不锈钢电子束表面改性目前，一种新兴的电子束辐照处理技术强流脉冲电子束(HCPEB)已成为日益受到重视的一项表面改性技术HCPEB中电子携带的能量可在极短时间内作用到材料的表面，引发熔化、汽化、应力波、冲击波和增强扩散等一系列物理和化学现象，因而可以实现常规处理方法所无法获得的非平衡组织结构及性能由于该技术具有简单、可靠、高效及低耗等特点，因而有着广泛的工业应用前景。Proskurovsky等在强流脉冲电子束方面的研究揭示了其潜在的应用

14、前景，主要包括碳钢与合金钢的表面强化及表面耐腐蚀、热防护，快速退火及表面快速合金化等.Pogrebnjak等则主要研究了经电子束改性后材料表面的微结构及性能，指出表层中辐照诱发的缺陷是金属材料力学性能得以改善的主要原因.利用强流脉冲电子、模具钢以及镁合金等材料进行表面改性的结果表明fs_111，脉冲电子束表面处理可以有效地改变样品表层的成分分布及显微组织结构，进而提高材料的硬度、摩擦磨损及腐蚀等表面性能。近年来，脉冲能量束在金属表面诱发火山坑的行为备受关注，火山坑被认为是脉冲束流表面处理技术的主要缺点而有待解决。火山坑是在高能束与金属表面相互作用的过程中形成的，辐照后基体所发生的性能变化与它密

15、切相关，因此对火山坑现象的研究无论从理论或技术角度都占有特殊的地位.(ain等在对纯铝和钢的温度场摸拟计算基础上揭示了在脉冲电子束作用下次表层先熔化所导致的表面火山坑形成机制，但并没有给出其详细的物理过程尤其是喷发形成的择优位置.为此，本工作以316L不锈钢为基体材料，研究了脉冲电子束辐照对不锈钢表面的形貌及近表层化学成分的影响，探讨了其改性过程及机理，对火山坑的成因及数量上的演变规律做出了合理的解释.这对脉冲电子束改性技术的进一步应用具有重要的指导意义。.5.1实验方法实验材料为商用AISI316L奥氏体不锈钢棒，线切割制成直径为12mm、厚度为2mm的薄片，表面经砂纸打磨并抛光后在丙酮溶液

16、中超声清洗、吹干备用。.样品的处理在俄罗斯Nadezhda-2型强流脉冲电子束(HCPEB)系统上完成，该设备可产生低能量(10-40keV)、强电流(102-103A/cm2)、短脉宽(二1acs)、人面积(60mm2)及高重复频率(0.1Hz)的电子束.在石耀阴极微凸爆炸后，脉冲电子束在阴极和阳极的等离子体中形成.通过调节加速电压、磁场强度以及阳极与样品台之间的距离控制电子束的能量密度(有关HCPEB的详细介绍参见文献阵，本实验选用的脉冲电子束处理参数如下:加速电压为27kV，能量密度为3J/cm2,脉宽为1.5,s，脉冲间隔为lOs，轰击次数分别为5和20次、采用JEOL5600型扫描电

17、镜(SEM)观察电子束处理后的样品表面形貌及截面形貌;利用EPMA-1600型电子探针(EPMA)分析改性前、后样品表层的成分分布及变化;样品表面的三维形貌在Newviewer激光三维成像仪上进行观察。5.2实验结果5.2.1表面形貌及成分分析图la示出经王水腐蚀后316L不锈钢原始样品的SEM表面形貌.从图可见，其显微组织由单一的奥氏体相构成，晶粒尺寸为40-60m，图中的小孔可能来自不锈钢中部分夹杂物的择优腐蚀.图1b为原始样品典l的背散射电子形貌像.从图可见许多微米级尺寸的黑点，此外整个表面的成分分布基本均匀.通常，奥氏体不锈钢中的夹杂物为MnS颗粒191，而适量MnS夹杂物的存在可使材

18、料在机械加工时易于切削，但同时也增加了不锈钢发生点蚀的几率ao.为了进一步确认不锈钢中夹杂物的成分，采用EPMA对样品表面进行面扫描分析，结果如图lc所示.在背散像(图lc左侧大图)中对两条自线1h帕勺黑色颗粒进行线扫描分析的结果表明，黑点为富Mn和S相.图lc右侧两小图分别为S和Mn的面扫描，其对应关系进一步验证了316L不锈钢中的黑色夹杂物为MnS颗粒.。经脉冲电子束轰击后样品的表面形貌如图52所示.图2a为5次轰击后样品的低倍SEM形貌.在处理后的样品表面可以观察到大量的火山坑，这是金属在脉冲能址束处理下的典型形貌。整个样品表面火山坑分布很均匀.图2b为同一样品的典型高倍火山坑形貌，由此

19、可以观察其细节所在:几乎所有火山坑的中心都存在一个小孔，同时在火山坑的周围出现了一些平行的变形带，这是在电子束处理过程中强应力场所诱发的塑性变形所致.图2c,d分别为电子束轰击20次后样品的低倍和高倍SEM表面形貌像.与5次轰击后的样品相比，其表面更加平整且火山坑的数量也明显降低，呈现典型火山坑形貌，火山坑较浅且中心没有小孔.5.2.2火山坑的形成及电子探针分析为研究火山坑的形成机制，亦采用电子探针对处理后的样品表面进行成分分析.图53为轰击5和20次的316L不锈钢样品的EPMA结果.图3a为5次轰击后样品的二次电子像，图3b为相应的背散射像.从图3a可见样品表面有许多火山坑;在图3b中，一

20、些黑点仍然存在1=样品表面，但与原始态背散射像(图1b)相比，黑点的数址已大大减少.对比图3a,b可见，这些黑点总是位一f火山坑的中心位置.图3c为高倍率下5次轰击后样品的背散射形貌像.可见其中存在2个火山坑，为了确定火山坑中心处黑点的成分，对其做了线性扫描及面成分分析.图3c中两条白线间的线性扫描分析结果表明:黑点为富Mn和S相.通过比较Mn和S的面成分分析结果(见图3c右侧两小图)进一步确认黑色颗粒为MnS.上述结果表明，在电子束轰击的过程中，MnS夹杂物是轰击过程中诱发火山坑的核心.同理，图3d为电子束轰击20次后样品表面的二次电子像，图3e为与之对应的背散射像.从图可见，20次轰击后样

21、品表面(图3d)火山坑的密度比5次处理后的样品要低得多;同时，从图3e可见黑点儿乎完全消失.这表明经20次轰击后样品表面的夹杂物已基本被清除.图51316L不锈钢原始样品表而的SEM分析图52强流脉冲电子柬轰击后样品表面的SEM形貌图52强流脉冲电子柬轰击后样品表面的SEM形貌5.3讨论近年来，脉冲能量束在金属表面诱发火山坑的行为得到了广泛研究，已提出多种口f能的形成机制。为了更好地理解316L不锈钢在强流脉冲电子束轰击作用下的火山坑的形成机制，利用本课题组自行研发的软件，讨在本实验条件下316L不锈钢的表层的温度场进行了数值模拟，在加热过程中出现了与熔点对应的熔化平台，而表面的温度最高可达3

22、100Ia，达到该温度所需时问为0.78s.在冷却过程中可以清楚地观察到凝固平台区.图6b为图6a的投彭图，其中重熔层的计劝一深度为2.28m，达到该深度的时间为1.36its.在凝固过程中，整个熔化层在2.00Eis内即完全凝固，结品前沿的移动速度为1.6-10.Em/s,在最外一表层时其移动速度达到了最大值.恨据以上的计弥结果，316L不锈钢在脉冲电r束作用下表面火山坑的形成机制可以具体描述如在脉冲电户束处理前，夹杂物粒广不均匀地分布d原始样品中与基体相比，MnS的热们、散系数较低，脉冲电r柬每轰击1次，钢基体中的MnS颗粒及其附近区域就会从中吸收1次热里井造成温度场的不均匀分布，由此可以

23、推断出以下2种可能的火亢形成机带小(1)1nS夹杂物的热传导性比金属基体约低1个数壁级而熔点接近ZI1S的熔点约为1803Ii，不锈钢基体的熔点为1653Ii，因而在快速的升温过程中，这些夹杂物可能优先聚集热垦而在基体熔化(约为0.5ysIl寸)前就首先熔化甚至汽化分解。不锈钢作为生物医用材6.结束语料在近20年内被广泛应用在矫形外科植入物、牙种植体和冠状动脉支架等领域。目前医用316L不锈钢在临床应用中存在的主要问题，指出生物相容性、讨腐蚀性和讨磨损性有待提高和表面改性是改善上述问题的有效途径。316L医用不锈钢现在的主要制备方法有溶胶凝胶法，化学气象沉积法，溅射法，离子注入法，离子镀法等。

24、但是电子束表面改性法有其独特的优势。电子束熔覆技术理论研究和实际应用取得了一定的进展，但是与激光熔覆技术研究相比还有一定差距，电子束与材料间的祸合作用机制还需进一步深入研究。数值模拟技术是优化电子束熔覆工艺的有力乎段，通过对熔覆过程的温度场、流场及残余应力场的数值模拟，可以实现对电子束熔覆工艺的准确把握和控制。电子束表面合金化技术成本低、工艺可重复性好、目能够赋予材料优异的表面性能，在未来的发展中将会成为表面改性研究领域的热点。参考文献1刘晋春.特种加工.机械工业出版社，19972ZouJX,QinY,DongC,WuAM,HaoSZ,WangXG.JVacSciTechnol,2004;22

25、A:5453李金桂现代表面工程的重大进展J材料保护，2000，1，33(1).4徐滨士.表面工程新技术.国防工业出版社，2002.5张文峰，朱荻电子束加工技术及其在表面工程中的应用J新技术新工艺材料与表面处理，2003(8)6薛群基等.粘结固体润滑涂层的研究及其应用，材料保护，199940B)7徐滨士等.表面工程的理论与技术.北京:国防工业出版社，19998陈元芳.电子束加工技术及其应用J.现代制造工程，2009(8).9周志斌，肖沙里，周宴，等现代超精密加工技术的概况及应用J现代制造工程，2005(1)10王瑞刚.陶瓷料浆稳定分散进展.材料科学与工程.1999.vo117.Not.P6611RyanMP,WilliamsDE,ChaterRJ.HuttonBMMcPhailDS,Nature,2002;415:77012ZouJX,Grosdi