高能束表面改性技术

1第12章高能束表面改性技术2第12章高能束表面改性技术§12.1概论§12.2激光表面改性技术§12.3电子束表面改性§12.4离子束表面改性3§12.1概论§12.1.1高能束表面改性的定义和特点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。4归纳起来，高能束表面改性的共同特点是：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。高能束表面改性的加热速度在理论上讲可以达到1012℃/s。5当高能束加热金属时，加热速度高达5×103℃/s以上在如此高的加热速度下，金属共析转变温度在Ac1点上升100℃以上。因此高能束表面改性时允许金属表面温度在熔化温度和相变Ac1点之间变化，尽管过热度较大，而不致发生过热或过烧现象。激光束、电子束、离子束经过聚焦后作用在金属表面上的特征几乎完全相同。例如高能束作用在金属表面，其过热度和过冷度均大于常规热处理，因此表面硬度也高于常规处理5～10HRC。62、高能束表面改性是靠束流作用在金属表面上，对金属进行加热，属非接触式加热，没有机械应力作用。由于高能束加热速度和冷却速度都很快，而且束斑小，被处理材料周围热影响区极小、热应力极小，因此工件变形也小。73、高能束加热的面积可根据需要任意选择，一般大面积处理，可采用高能束叠加扫描方法。所获得的最小加热面积取决于高能束聚焦后的最小光斑。因此、可以应用在尺寸很小的工件或工件中凹陷部分，盲孔的底部等用普通加热方法难以实现的特殊部位。4、高能束加热的可控性能好，通过磁场或电场信号对激光束、电子束、离子束的强度、位置、聚焦等参数可用计算机精确控制，便于实现自动化处理。5、高能束热源，尤其是激光束可以远距离传输或通过真空室对特种放射性或易氧化材料进行表面处理。对激光束、电子束而言、高能束表面改性金属表面将会产生200～800MPa的残余压应力，从而大大提高了金属表面的疲劳强度。6、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，其冷却速度高达104℃/s以上。保证完成马氏体的转变；在急冷条件下,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。由于高能束加热速度快，奥氏体长大及碳原子和合金原子的扩散受到抑制，可获得细化和超细化的金属表面。高能束表面改性是靠工件自身冷却淬火，它不需要任何冷却介质。因此处理环境清洁，无污染。10§12.1.2高能束表面改性的类型一、按高能束束流特征分类按目前高能束的工业应用和发展状况，分为激光束、电子束和离子束。激光(Laser)的英文全称为：lightamplificationbystimulatedemissionofradiation的简称。其含义是受激发射的光放大。用这种光束对材料进行辐射时，可使材料表面的温度瞬时上升至相变点、熔点甚至沸点以上，从而使材料表面产生一系列物理的或化学的现象。这种处理方法称为激光束表面改性。11电子束是一种高能量密度的热源电子束被高压电场加速而获得很高的动能，再在磁场聚焦下成为高能密度电子束。当它以极高的速度冲击到材料表面极小面积上时，其能量大部分转变为热能。这样便可把大于千瓦级的能量集中到直径为几微米的点内，从而获得高达109W/cm2左右的功率密度。如此高的功率密度，可使被冲击部分的材料在几分之一秒内升高到摄氏几千度以上，当热量还没有来得及传导扩散时，就可把局部材料瞬时熔化、气化及蒸发。这种处理为电子束表面改性。12离子束和电子束基本类似，也是在真空条件下将离子源产生的离子束经过加速、聚焦、使之作用在材料表面。所不同的是，除离子与负电子的电荷相反带正电荷外，主要是离子的质量比电子要大千万倍。例如，氢离子的质量是电子的7.2万倍。由于质量较大，故在同样的电场中加速较慢，速度较低；但一旦加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的能量。高速电子在撞击材料时，质量小速度大，动能几乎全部转化为热能，使材料局部熔化、气化。它主要通过热效应完成。而离子本身质量较大，惯性大，撞击材料时产生了溅射效应和注入效应，引起变形、分离、破坏等机械作用和向基体材料扩散，形成化合物产生复合、激活的化学作用。这种处理称为离子束表面改性。离子束和电子束的不同14二、按相变类型分类激光束、电子束、离子束作为一种高能密度的热源，作用在金属表面所产生的相变、熔化、气化效应是一致的。通常将高能束表面改性分为：高能束相变硬化处理、高能束熔敷(也称涂覆或溶覆)处理、高能束合金化、高能束非晶化、高能束冲击硬化以及高能束气相沉积等。15§12.2激光表面改性技术16§12.2.3激光表面改性技术激光表面改性包含多种工艺：激光相变硬化（淬火）；激光熔凝；激光熔覆和合金化；激光非晶化和微晶化；激光冲击硬化等。它们各自的特点如表12－3所示。17各种激光表面改性工艺的特点工艺方法功率密度（W／cm2）冷却速度（℃/s）作用区深度（mm）激光淬火104～105104～1050.2～3激光合金化104～106104～1050.2～2激光熔覆104～106104～1060.2～1激光非晶化106～1010106～10100.01～0.1激光冲击硬化109～1012104～1060.02～0.218一、激光相变硬化（激光淬火）1、激光相变硬化原理激光相变硬化是以高能密度的激光束快速照射工件，使其需要硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化成热能，而使激光作用区的温度急剧上升，形成奥氏体。此时工件基体仍处于冷态，并与加热区之间有极高的温度梯度。因此．一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自冷淬火。192、激光相变硬化的特点：(1)极快的加热速度（104～106℃/s）和冷却速度（106～108℃/s），这比感应加热的工艺周期短，通常只需约0.1s即可完成淬火。因此生产率高。(2)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。激光淬火后工件变形小，几乎无氧化脱碳现象，表面光洁程度高，故可成为工件加工的最后工序。(3)激光淬火的硬度可比常规淬火提高15％～2O％。铸铁激光淬火后，其耐磨性可提高3～4倍。(4)可实现自冷淬火，不需水或油等淬火介质，避免了环境污染。(5)对工件的许多特殊部位，例如槽壁，槽底，小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等，只要能将激光照射到位，均可实现激光淬火。(6)工艺过程易实现电脑控制的生产自动化。21二、激光非晶化和熔凝激光非晶化和熔凝，以及接下来论述的激光合金化与涂覆，均有共同的特点。激光能量密度均较高，在激光作用于材料时表面都要形成一层熔体。它们共同的问题均要弄清表层熔体的特性（如熔体的化学成分及其均匀性，熔池中熔体的对流与传热），液一固界面特性及其移动速度，凝固后材料的组织结构和性质等。但是，它们有各自不同的技术目的和工艺条件。221、激光非晶化原理非晶态金属材料（金属玻璃）有极为优异的机械、电磁和化学性能，其应用日益广泛。金属玻璃可以理解为液体金属通过超急冷而凝固。金属玻璃微观结构的基本特征是原子在空间的排列是长程无序而短程有序。23常见的制造金属玻璃方法可分为三类：(1)液体金属超急冷凝固法。如液体金属通过高速转动的抛光紫铜辊形成非晶薄带或丝，以及激光表面快速熔凝和电子束表面快速熔凝等。(2)金属通过稀释态凝聚形成非晶。如通过激光、辉光放电、电解等手段沉积形成非晶。(3)通过离子注入、粉末冶金、高温爆炸冲击以及固态反应等，直接由固态晶体形成非晶。24因此，从广义看，凡是以激光为手段而获得金属玻璃的方法，如激光气相沉积法和激光溅射沉积法等均可称激光非晶化。狭义的激光非晶化是指将激光作用于材料，使材料表面薄层熔化，同时在熔体与基体之间保持极高的温度梯度。以确保液体金属以大于一定的临界速度急冷到某特征温度以下，抑制晶体形核和生长，从而获得非晶态金属。25表12－4几种材料形成非晶的临界冷却速度Lc材料纯铝钢Fe83B17Fe40Ni40P14B6Cu50Zr50Ni60Nb40Lc(K/s)1010108106105～６10410226三、激光熔凝激光熔凝也称激光熔化淬火。激光熔凝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。27激光熔凝的主要特点有：1、表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。2、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有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性。3、其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可以不再进行后续磨光而直接使用。4、表面熔层深度远大于激光非晶化。28激光熔凝原理与激光非晶化基本一致通常激光熔凝处理的特点是激光能量密度和扫描速度均远小于激光非晶化。因为激光熔凝处理时，其表面熔化深度大，有时可以mm为单位计量（激光非晶化以u计量），并且熔体冷凝时，冷却速度没有激光非晶化必须保证V临的限制。因而不要求超快速加热和急冷。29激光熔凝处理后的工件，通常不再经后续磨光加工就直接使用因此，对激光熔凝处理后的表面形貌质量有所要求。在激光熔凝处理时，熔化区形成的高温度梯度，导致了在表层形成高的应力梯度和熔体中的环流运动。例如，在铁的熔体中环流的运动速度可达150mm/s。熔体内部压力的变化需要相应的补偿。它由熔池表面的弯曲来给予，从而影响表面形貌。30四、激光合金化与涂覆用表面合金化的方法代替整体合金以节约金属资源一直是世界范围内材料工作者的重要研究内容之一、常规的表面合金化方法就是化学热处理。它利用高温下的扩散使合金元素渗入基体，以获得表面合金层。311、激光合金化激光合金化就是在高能束激光的作用下，将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。换一句话讲，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。激光合金化的方式如图所示。利用高功率激光处理的优点在于可以节约大量的具有战略价值或贵重元素、形成具有特殊性能的非平衡相或非晶态、晶粒细化、提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析。33激光表面合金化的许多效果可以用快速加热和随后的急冷加以解释在激光加热过程中，其表面熔化层与它下面的基体之间存在着极大的温度梯度。在激光作用下，其加热速率和冷却速率可达到105～109℃/s。通过快速加热和快速冷却导致了许多特殊的化学特征和显微结构的变化，从而达到改善材料表面性能的目的。342、激光涂覆的概念激光涂覆就是用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂覆材料。这类涂覆材料可以是金属或合金，也可以是非金属、还可以是化合物及其混合物。这是其它表面技术难以实现的。在涂覆过程中，涂覆层与基体表面通过熔合结合在一起。激光涂覆的方式与激光合金化相似，其区别在于涂层材料与基体材料混合程度的不同。35激光涂覆的优点:1.激光涂覆具有涂层成分几乎不受基体成分的干扰和影响、稀释度小；2.涂层厚度可以准确控制；3.涂层与基体的结合为冶金结合，十分牢固、4.加热变形小、5.热作用区也很小、6.整个过程很容易实现在线自动控制。36稀释度激光涂覆的目的在于提高工件表面的耐蚀、耐磨、耐热、减摩及其它特性。而涂层内基体材料的熔入多少所引起的涂层成分变化的大小将直接影响到涂层的使用性能。因此，在激光涂覆技术中，存在稀释度的概念。这是一个十分重要的概念。用稀释度这个概念可以定量地描述涂层成分由于熔化的基体材料的混入而引起的成分变化程度。37所谓稀释度是指熔化的基材混入涂覆层而使涂覆材料成分的变化率。激光涂覆时，要求其稀释度尽可能低。一般认为其稀释度应小于10％，最好在5％左右，以保证获得高性能的表面涂覆层。38§12.3电子束表面改性§12.3.1电子束的产生过程电子束的产生过程如图所示。在电子枪