高能束表面改性技術

1、高能束表面改性技術第1頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四定義：當高能束發(fā)生器輸出功率密度達到103W/cm2以上的能束，定向作用在金屬表面，使其產(chǎn)生物理、化學或相結構轉變，從而達到表面改性的目的，這種處理方式稱為高能束表面改性。第2頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四特點：（1）高能束熱源作用在材料表面上的功率密度高、作用時間極其短暫，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，對金屬進行加熱，屬非接觸式加熱，沒有機械應力作用。（3）高能束表面改性具有許多獨特的優(yōu)點：如離子注入，不像熱擴散那樣，將受到化學結合

2、力、擴散系數(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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四按高能束束流特征分類第4頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四按相變類型分類第5頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四高能束與金屬材料的交互作用能量傳遞與轉換高能束與和物質(zhì)的三種作用類型：熱作用、力作用、光作用第6頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四E0=E反射+E吸收+E透過式

3、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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四金屬材料對高能束而言，是束流不能穿透的材料，因此當高能束粒子照射金屬材料時，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。當金屬表面吸收了外來能量后，將導致晶格點陣結點原子的激活，進而使光能（激光束）或電能（電子束或離子束）轉換成熱能，并向表層內(nèi)部進行熱傳導和熱擴散，以完成表面加熱過程。第8頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四熱作用 激光光子的能量向固體金

4、屬的傳輸?shù)倪^程就是固體金屬對激光光子的吸收的過程。激光與金屬材料交互作用而產(chǎn)生的加熱效應取決于材料對激光光子的吸收。力作用 當激光束強度遠低于熔化門坎值時，由于金屬表面高的溫度梯度，在亞表層區(qū)會產(chǎn)生嚴重的不均勻應變。當內(nèi)應力超過屈服應力時，材料會發(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，會產(chǎn)生很大的壓應力。如果超過了材料的彈性極限，就會發(fā)生塑性變形，使材料擠出自由表面。在冷卻時，材料發(fā)生收縮。如果拉應力超過屈服應力，冷至初始溫度時就會發(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現(xiàn)，不過這種作用是一種間接

5、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材料，如金剛石薄膜、類金剛石薄膜等。第9頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四激光表面改性技術激光表面處理的目的：是改變表面層的成分和顯微結構；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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第12頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第13頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四激

6、光束與材料表面的相互作用激光束照射到材料表面時，與材料間的相互作用根據(jù)輻射密度與持續(xù)時間分為以下幾個階段：激光照射到材料表面；激光被材料吸收變?yōu)闊崮?；表層材料受熱升溫；發(fā)生固態(tài)轉變、熔化甚至蒸發(fā)；材料在激光作用后冷卻。當激光輻射的功率密度與持續(xù)時間不變時，上述過程的進展除取決于被處理材料的特性外，還與激光的波長、材料的溫度和表面狀態(tài)等有關。第14頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四常用激光器CO2激光器CO2激光器輸出功率大，轉換效率高，一般為1520%. 第15頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第16頁，共67頁，2022年，5月20日，18點2

7、3分，星期四第17頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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)放電激勵方式運轉。其連續(xù)輸出功率最大為瓦級。第18頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四YAG激光器目前應用最廣泛的一種固體激光器。波長短。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，作為校準激光器。對于大多數(shù)材料，尤其是金屬材料，激光波長越短，吸收系數(shù)越大，加熱效率越高。第19頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四表12-3 各種激光表面改性工藝的特點第20頁，共67頁，2022

8、年，5月20日，18點23分，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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四激光相變硬化特點僅對工件局部表面進行激光淬火，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。激光淬火的硬度高，耐磨性好?？蓪崿F(xiàn)自冷淬火。極快的加熱速度104106/s和冷卻速度106108/s。生產(chǎn)效率高。對工件的許多特殊部位可實現(xiàn)激光淬火。工藝過程易實現(xiàn)電腦控制的生產(chǎn)自動化。第22頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四激光作用下合金的相變特點相

9、變的熱力學條件 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間很短，同時加熱 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擴散再分布的情況，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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第24頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第25頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第26頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第27頁，共67頁

10、，2022年，5月20日，18點23分，星期四第28頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，從而獲得非晶材料的技術。第29頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，從而在金屬表面獲得非晶態(tài)結構。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：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

11、可能存在的裂紋。第30頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，獲得較為細化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術。第31頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四其主要特點有表面熔化時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合。在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結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，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。表面熔層深度遠大于激光非晶化。第32頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23

12、分，星期四激光合金化和熔覆第33頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四激光合金化激光合金化：是用激光將基體表面熔化，同時加入合金元素，在以基體為溶劑、合金元素為溶質(zhì)的基礎上構成所需合金層的一種技術。第34頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四向工件加入合金粉末的方法有預置涂層法和同步送粉法，如下圖所示：第36頁，共

13、67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，同時基體金屬有一薄層熔化，與之構成冶金結合的一種表面處理技術。第37頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第38頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第39頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第40頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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激光與材料表面相互作用產(chǎn)生的力學效應強應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

14、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)生強烈的塑性變形，其結構類似于經(jīng)爆炸沖擊及快速平面沖擊的材料中的亞結構。第41頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四采用激光沖擊硬化，可強化焊縫熱影響區(qū)的金屬，還可以阻止或延緩材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生及擴展。第42頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，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

15、激光加熱有所不同，電子束加熱時，其入射電子束的動能大約有75可以直接轉化為熱能；而激光束僅有18可被金屬表面直接吸收而轉化為熱能，其余部分基本上被完全反射掉了。目前，電子束加速電壓達125kV，輸出功率達150kW。能量密度達103MW/m2。因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。第43頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第44頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四電子束改性的特點a)加熱、冷卻速度快。b)成本低。c)設備結構簡單。d)能量控制簡便。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

16、寸范圍比激光束大。電子束因易激發(fā)x射線，在使用中應注意防護。第45頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四電子束改性的方法 第46頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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)生馬氏體相變強化。比較適合于碳鋼、中碳低合金鋼、鑄鐵等材料的表面強化。第47頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第48頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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

17、，從而使組織細化，實現(xiàn)硬度和韌性的最佳結合。最適用于鑄鐵、高碳高合金鋼。第49頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四電子束表面合金化定義：預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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四電子束熔覆定義：按需要在基體材料表面預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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四 2Cr13鋼表面

18、Co-Cr-W涂敷層硬度分布第52頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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間短的特點，使工件表面在極短的時間內(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104108/s。致使表層幾乎保留了熔化時液態(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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，并使其在電場中進行加速，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

19、及力學性能的一種離子束技術。第54頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四第55頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四離子注入裝置簡圖第56頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四離子注入強化機制固溶強化位錯強化晶界強化或細晶強化彌散強化晶格變換效應壓應力效應非晶強化第58頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四離子注入的改性機理 提高材料表面耐腐蝕性能；提高材料表面硬度

20、、耐磨性和疲勞強度；提高材料抗氧化性能第59頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四離子注入提高材料表面硬度、耐磨性的原因：a固溶強化效應：間隙原子和置換原子的固溶強化；b彌散強化效應：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：碰撞產(chǎn)生大量晶格損傷和位錯，以及位錯釘扎；d晶粒細化效應：離子轟擊導致晶粒細化，阻礙位錯運動；e晶格變換效應：晶體結構轉換，形成新材料。第60頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，星期四離子注入提高材料疲勞強度的原因：a高損傷缺陷阻止了位錯的移動；b噴丸強化作用：更多離子加入近表面區(qū)域，使表面產(chǎn)生壓應力，抑制裂紋的產(chǎn)生。第61頁，共67頁，2022年，5月20日，18點23分，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，共67頁，2022年，5月20日，18