高能束表面改性技术

高能束表面改性技术第一页，共六十七页，编辑于2023年，星期六定义：当高能束发生器输出功率密度达到103W/cm2以上的能束，定向作用在金属表面，使其产生物理、化学或相结构转变，从而达到表面改性的目的，这种处理方式称为高能束表面改性。第二页，共六十七页，编辑于2023年，星期六特点：（1）高能束热源作用在材料表面上的功率密度高、作用时间极其短暂，即加热速度快、冷却速度亦快，处理效率高。（2）高能束表面改性是靠束流作用在金属表面，对金属进行加热，属非接触式加热，没有机械应力作用。（3）高能束表面改性具有许多独特的优点：如离子注入，不像热扩散那样，将受到化学结合力、扩散系数和相平衡规律的限制。（4）由于高能束作用面积小，金属本身的热容量足以使被处理的表面骤冷，保证完成马氏体的转变；而且急冷可抑制碳化物的析出，从而减少脆性相的影响，并能获得隐晶马氏体组织。第三页，共六十七页，编辑于2023年，星期六按高能束束流特征分类

第四页，共六十七页，编辑于2023年，星期六按相变类型分类第五页，共六十七页，编辑于2023年，星期六高能束与金属材料的交互作用能量传递与转换高能束与和物质的三种作用类型：热作用、力作用、光作用第六页，共六十七页，编辑于2023年，星期六E0=E反射+E吸收+E透过式中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透过-高能束透过材料后的能量第七页，共六十七页，编辑于2023年，星期六金属材料对高能束而言，是束流不能穿透的材料，因此当高能束粒子照射金属材料时，其入射能量最终分解为两部分：一部分被金属表面反射掉，而另一部分则被金属表面所吸收。当金属表面吸收了外来能量后，将导致晶格点阵结点原子的激活，进而使光能（激光束）或电能（电子束或离子束）转换成热能，并向表层内部进行热传导和热扩散，以完成表面加热过程。第八页，共六十七页，编辑于2023年，星期六<1>热作用激光光子的能量向固体金属的传输的过程就是固体金属对激光光子的吸收的过程。激光与金属材料交互作用而产生的加热效应取决于材料对激光光子的吸收。<2>力作用当激光束强度远低于熔化门坎值时，由于金属表面高的温度梯度，在亚表层区会产生严重的不均匀应变。当内应力超过屈服应力时，材料会发生塑性变形。用激光照射金属表面，表面温度的迅速增加会使材料发生膨胀，平行于表面的位移受到周围材料的约束，会产生很大的压应力。如果超过了材料的弹性极限，就会发生塑性变形，使材料挤出自由表面。在冷却时，材料发生收缩。如果拉应力超过屈服应力，冷至初始温度时就会发生拉伸塑变。(3)光作用激光与金属材料的交互作用也可以通过光作用而实现，不过这种作用是一种间接的作用。由于这种作用主要用来制备特殊的非金属材料和无机材料，如金刚石薄膜、类金刚石薄膜等。第九页，共六十七页，编辑于2023年，星期六高能束加热引起的物质状态变化图12-1第十页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光表面改性技术激光表面处理的目的：是改变表面层的成分和显微结构；激光表面处理工艺包括：激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等：第十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光束与材料表面的相互作用

激光束照射到材料表面时，与材料间的相互作用根据辐射密度与持续时间分为以下几个阶段：①激光照射到材料表面；②激光被材料吸收变为热能；③表层材料受热升温；④发生固态转变、熔化甚至蒸发；⑤材料在激光作用后冷却。当激光辐射的功率密度与持续时间不变时，上述过程的进展除取决于被处理材料的特性外，还与激光的波长、材料的温度和表面状态等有关。第十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期六常用激光器CO2激光器CO2激光器输出功率大，转换效率高，一般为15～20%.第十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期六氦-氖气体激光器是最早出现的气体激光器，也是目前用得最广泛的典型原子激光器。它以连续放电激励方式运转。其连续输出功率最大为瓦级。第十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期六YAG激光器目前应用最广泛的一种固体激光器。波长短。由于激光呈鲜红色，除作其他用途外，也用在大功率CO2装置上，作为校准激光器。对于大多数材料，尤其是金属材料，激光波长越短，吸收系数越大，加热效率越高。第十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期六表12-3各种激光表面改性工艺的特点第二十页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光相变硬化又叫激光淬火。是在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热，并在激光停止辐射后快速自冷却得到马氏体组织的一种工艺方法。第二十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光相变硬化特点仅对工件局部表面进行激光淬火，且硬化层可精确控制，因而它是精密的节能表面改性技术。激光淬火的硬度高，耐磨性好。可实现自冷淬火。极快的加热速度104～106℃/s和冷却速度106～108℃/s。生产效率高。对工件的许多特殊部位可实现激光淬火。工艺过程易实现电脑控制的生产自动化。第二十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光作用下合金的相变特点相变的热力学条件与常规淬火相比较，由于激光超快速的加热速度，使其相变过程的温度间隔显著增大，即相变是在大的过热度下完成的。相变完成后奥氏体成分很不均匀由于激光加热相变完成时间很短，同时加热区的温度梯度很大，因而碳化物溶解以及奥氏体中碳和合金元素扩散再分布的情况，在激光加热区不同部位之间有很大差异，即奥氏体的成分很不均匀。第二十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第二十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第二十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第二十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第二十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第二十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光非晶化激光非晶化:是利用激光快速加热和快速冷却的特点加热材料表面使其熔化，并以大于一定临界冷却速度急冷至低于某一特征温度，以抑制晶体形核和生长，从而获得非晶材料的技术。第二十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光非晶化原理其原理是基于被激光加热的金属表面熔化后，以大于临界冷却速度急冷，来抑制晶体的成核和生长，从而在金属表面获得非晶态结构。与急冷法制得的非晶态合金相比，激光法制取的非晶态合金优点：冷却速度高；激光非晶态处理还可减少表层成分偏析，消除表层的缺陷和可能存在的裂纹。第三十页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光熔凝激光熔凝：也称激光熔化淬火。是将激光束加热工件表面至熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。第三十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期六其主要特点有表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层和材料基体是天然的冶金结合。在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织具有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性。其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。表面熔层深度远大于激光非晶化。第三十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光合金化和熔覆第三十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光合金化激光合金化：是用激光将基体表面熔化，同时加入合金元素，在以基体为溶剂、合金元素为溶质的基础上构成所需合金层的一种技术。第三十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期六这种快速熔化的非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到很高的过饱和度，从而形成普通合金化方法不易得到的化合物、介稳相和新相，在合金元素消耗量很低的情况下获得具有特殊性能的表面合金。第三十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期六向工件加入合金粉末的方法有预置涂层法和同步送粉法，如下图所示：第三十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光熔覆激光熔覆：是用激光将按需要配制的合金粉末熔化，成为熔覆层的主体合金，同时基体金属有一薄层熔化，与之构成冶金结合的一种表面处理技术。第三十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第三十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第三十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第四十页，共六十七页，编辑于2023年，星期六激光冲击硬化激光冲击硬化：激光冲击硬化主要是利用强激光与材料表面相互作用产生的力学效应——强应力波来改善材料的性能。激光使材料表面薄层迅速汽化，产生冲击波。冲击波产生的压力幅值大约为105大气压，它足以使金属产生强烈的塑性变形，其结构类似于经爆炸冲击及快速平面冲击的材料中的亚结构。第四十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期六采用激光冲击硬化，可强化焊缝热影响区的金属，还可以阻止或延缓材料内部裂纹的产生及扩展。第四十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期六电子束表面改性

电子束表面改性的原理：电子束照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。能量传递主要是通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的，所传递的能量立即以热的形式传与金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。与激光加热有所不同，电子束加热时，其入射电子束的动能大约有75％可以直接转化为热能；而激光束仅有1～8％可被金属表面直接吸收而转化为热能，其余部分基本上被完全反射掉了。目前，电子束加速电压达125kV，输出功率达150kW。能量密度达103MW/m2。因此，电子束加热的深度和尺寸比激光大。第四十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第四十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期六电子束改性的特点

a)加热、冷却速度快。b)成本低。c)设备结构简单。d)能量控制简便。e)电子束与金属表面作用耦合性好，能量利用率高。f)处理中工件不被污染，质量好。g)电子束加热的深度和尺寸范围比激光束大。电子束因易激发x射线，在使用中应注意防护。第四十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期六电子束改性的方法

第四十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期六电子束表面硬化

定义：利用电子束轰击金属工件表面，使表面被加热到相变温度以上，高速冷却产生马氏体相变强化。比较适合于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化。第四十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第四十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期六电子束表面熔凝

定义：用高能量密度的电子束轰击工件表面，使表面产生局部的重新熔化，并在冷基体的作用下快速凝固，从而使组织细化，实现硬度和韧性的最佳结合。最适用于铸铁、高碳高合金钢。第四十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期六电子束表面合金化

定义：预先将具有特殊性能的合金粉末涂敷在基体金属表面，再用电子束轰击加热，使特殊的合金粉末熔融在基体材料的表面上，从而在工件表面形成一层具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的新合金表面层。第五十页，共六十七页，编辑于2023年，星期六电子束熔覆

定义：按需要在基体材料表面预先涂敷一层特殊性能的合金粉，并用电子束加热将其熔化，在基体表面形成具有某些特性的覆层。第五十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期六

2Cr13钢表面Co-Cr-W涂敷层硬度分布

第五十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期六电子束表面非晶化

定义：利用聚焦的电子束高能量密度以及作用时间短的特点，使工件表面在极短的时间内迅速形成小熔池，并在基体与熔化的表层间产生很大的温度梯度，使表层的冷却速度高达104~108℃/s。致使表层几乎保留了熔化时液态金属的均匀性，经高速冷却，在材料的表面形成良好的非晶层。第五十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离子束表面改性离子注入的原理：离子注入：把某种元素的原子电离成离子，并使其在电场中进行加速，在获得较高速度后射入置于真空靶室中的工件表面，以改变这种材料表面的物理、化学及力学性能的一种离子束技术。第五十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期六第五十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离子注入装置简图

第五十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离子与工件表面原子电子发生以下过程：a电子碰撞；b核碰撞；c离子与工件内原子作电荷交换。第五十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离子注入强化机制固溶强化位错强化晶界强化或细晶强化弥散强化晶格变换效应压应力效应非晶强化第五十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离子注入的改性机理

提高材料表面耐腐蚀性能；提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度；提高材料抗氧化性能第五十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离子注入提高材料表面硬度、耐磨性的原因：a固溶强化效应：间隙原子和置换原子的固溶强化；b弥散强化效应：注入非金属元素形成各种氮化物、碳化物、硼化物等弥散相；c晶格损伤效应：碰撞产生大量晶格损伤和位错，以及位错钉扎；d晶粒细化效应：离子轰击导致晶粒细化，阻碍位错运动；e晶格变换效应：晶体结构转换，形成新材料。第六十页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离子注入提高材料疲劳强度的原因：a高损伤缺陷阻止了位错的移动；b喷丸强化作用：更多离子加入近表面区域，使表面产生压应力，抑制裂纹的产生。第六十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离子注入提高材料表面耐腐蚀性能的原因：a形成稳定致密的氧化膜；b形成表面合金、亚稳相合金、非晶态合金。第六十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期六离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，阻碍了氧的扩散；