高能束表面改性技术的研究与应用

1、高能束表面改性技术的研究与应用班级：材料物理096 学号：099024492 姓名：许光鑫【摘要】随着现代工业的发展，各行业对高性能涂层和高效环保加工工艺的要求越来越高。高能束表面改性技术是一种新型的表面改性技术，可以获得综合性能优异的涂层，具有能量密度特别高、非接触式加热、热影响区小、对工件基材的性能及尺寸影响小、工艺可控性强、便于计算机控制、环保等优点。高能柬表面改性技术包括了激光表面改性技术、电子束表面改性技术、离子注入表面改性技术、高密度太阳能表面改性技术。本文主要叙述了高能束（激光束、电子束、离子束）表面改性技术的基本原理、工艺特点，并结合三种高能束流各自不同的表面改性技术，介绍了其

2、研究进展和应用。作者在文章最后对高能束表面改性技术的发展趋势和方向进行了综述。 【关键词】高能束；激光束；电子束；离子束；表面改性；研究进展；应用abstract: with the development of modern industry, more and more high-performance coat and high-efficient and environment-friendly processing technic are required in all kinds of fields . high energy beam surface modification t

3、echnology is a new surface modification technology, and can obtain good comprehensive performance of the coating, with the energy density is particularly high, non-contact heating, small heat affected zone, on the workplace material properties and the size effect of small, strong process controllabi

4、lity, easy to calculate machine control, environmental protection and other advantages. high energy beam surface modification technology including laser surface modification technology, electron beam surface modification technology, surface modification of ion implantation technology, high density o

5、f the solar surface modification technology. the basic principle and characteristic of high energy beam (laser beam ,electronic beam ,iron beam) surface modification are described ,and combine with the different surface modification of high energy beam , the research progress and application are out

6、lined .the author put forward the development of high energy beam surface modification at the end of the paper.keywords: high energy beam; laser beam ；electronic beam ；iron beam ；surface modification; research progress; application 0 前言高能束表面改性是通过高能量密度的束流改变材料表面的成分或组织结构的一种新的表面处理技术。由于高能束的功率密度可以达到10cm2以

7、上，甚至可超过10cm2，因此在极短的作用周期下，材料表面就能达到其他表面技术所无法达到的效果。利用激光柬、电子束、离子束等高能束对材料表面进行改性或合金化的技术是近30年来迅速发展起来的材料表面处理新技术，其原理就是利用激光束、电子束和等离子体束等作为热源，通过改变材料表面的局部成分或结构，实现对材料的局部表面改性【1，2】。高能表面改性技术共同的特点是：能源的能量密度特别高，非接触式加热，热影响区小，对工件基材的性能及尺寸影响小，工艺可控性强，便于实现计算机控制【3】。近年来，随着材料表面性能要求的进一步提高，新能源技术逐步完善，高能束技术的应用领域越来越广阔。高能束表面改性技术具有以下一

8、些特点：（）能量密度可以在很大范围内进行调节，并可精确控制。（）高能束表面改性技术可以方便地与传统的表面改性技术结合起来从而弥补甚至消除各自的局限性。（）利用高能束可以对材料表面进行超高速加热和超高速冷却，其冷却速度可达104 0c，从而实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属基复合材料的制备。1 高能束表面改性技术的研究与应用激光束表面改性目前，激光技术与其他表面改性技术相结合，从而出现了许多新型的激光表面改性技术，主要包括激光相变硬化、激光表面合金化与激光熔覆、激光熔凝、激光冲击硬化、激光磁畴控制等。表为凡种激光表面改性技术的工艺特点。表各种激光表面改性技术工艺特点。表1各种激光表面改性技

9、术工艺特点工艺方法功率密度冷却速度作用区深度效果激光相变硬化激光表面合金化激光表面熔敷激光冲击硬化104-105104-106104-106109-1012104-105104-105104-106104-1060.2-30.2-20.2-10.02-0.2提高耐磨性，提高疲劳强度提高耐磨性，耐热性，耐蚀性提高耐磨性，耐热性，耐蚀性提高耐磨性 激光相变硬化激光相变硬化又称激光表面淬火，它以高能密度的激光束快速照射材料表面，使其需要硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，从而使激光作用区的湿度急剧上升到相变温度以上，形成奥氏体。然后随着材料自行冷却，奥氏体转变成马氏体，使材料表面得到硬化，同时大

10、大提高了材料的耐磨性和抗疲劳性能【4】。美国通用汽车公司年完成转向器壳体内腔激光相变硬化处理的研究，耐磨性提高10倍，先后建立了条激光处理生产线，每个壳体循环时间仅秒，日处理量件。德国 公司对40/54和l58/64型船用柴油机气缸套内壁进行激光相变硬化处理；日本对钢、铬铝钢、铸铁等材料进行激光相变硬化处理5。我国天津渤海无线电厂采用美国型横流2激光器对硅钢片模具进行相变硬化处理；青岛激光技工中心采用了千瓦级横流2激光器对柴油机气缸孔进行相变硬化处理后，耐磨效果优良，经济效益显著；长春第一汽车厂也对气缸套内壁成功进行了相变硬化处理,并建立起条生产线。在这方面的新进展应属激光表面微精处理（或表面

11、织构处理），就是用很细的高密度能量的激光束，在零件表面扫描，利用其迅速加热、迅速冷却和马氏体相变时产生微小（）比容增加的原理，形成一种有利于增加弹流润滑油膜厚度的特殊微凸体图案，从而达到显著提高摩擦副耐磨性的目的。激光表面合金化与激光熔覆 激光表面合金化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，使母材与合金材料同时熔化，形成表面合金层，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。激光表面合金化的过程激光熔覆与激光合金化的原理一致，它是利用激光在基体表面覆盖一层具有特定性能的涂覆材料。激光表面合金化发展的一个新动向是与常规热处理方法、电子束技术、等离子技术结合的激光复合处理。有实

12、验研究表明，经碳氮共渗和激光复合处理，钢的所有性能均得到不同程度的改善。 激光熔凝激光表面熔凝是当前激光表面改性技术研究的热点之一，它是采用近于聚焦的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【6】。其目的主要是为了提高材料的硬度和耐磨性能。据报道经激光熔凝处理后，白口铸铁、灰铸铁耐磨性提高倍，工具钢的红硬性和刀具寿命得到明显提高，而马氏体和奥氏体不锈钢由于获得了细化组织而减少了晶间腐蚀倾向。 激光冲击硬化与激光磁畴控制激光冲击硬化是利用高能密度的激光脉冲照射金属工件表面，产生向金属内部传播的强冲击波，使金属材料表层发生塑性变形，形成激光冲击硬化区。与其他瀵

13、光处理技术相比，激光冲击硬化处理的突出优点是没有向材料内部进行热传递，因此没有热影响区。激光磁畴控制是利用激光产生的热应力场，在材料内部形成亚磁畴界，从而大大降低变压器中的涡流损失的技术。 电子束表面改性技术利用电子束加热，通过改变材料表层的组织结构和化学成分，达到提高其性能和表面改性技术称为电子束表面处理。 电子束表面淬火通过高能量束加热工件表面，工件表面升温并发生相变，然后自冷却实现马氏体转变。电子束表面淬火加热和冷却速度很快，表面马氏体组织显著细化，硬度提高，表面呈残余压应力，提高了材料的抗疲劳性能和耐磨性。由于它具有能量密度极高、热效率高、精密易控及多功能等特点，在工业领域的各个行业得

14、到了广泛的应用，是高科技发展不可缺少的特种加工手段之一【7】。此工艺适用于碳钢和合金钢等基础件的表面强化处理，例如【8】，用电子束处理钢表面，柬斑直径为，加热速度为，淬火后表面金相组织为隐针和细针马氏体组织，硬度。 电子束表面熔凝电子束熔凝处理是利用电子束辐射金属表面，使其迅速达到熔点以上，形成过热状态，此刻整体金属尚处于冷态，则基底金属就成为熔化金属的“淬火剂”，将其迅速冷却至室温。因电子束加热和冷却速度高达104，故称之为快速熔凝。电子束快速熔凝可在一定程度上保持液态下两组无完全互溶的特性，使第二相来不及分离就凝固了【9】。刘志坚【10】等人利用多极板赝火花放电装置产生的高功率脉冲电子束对

15、号钢进行轰击，扫描电子显微镜（）和透射电镜（）的结果表明轰击区表面瞬态骤熔急冷，形成了微晶或无序层。剖面组织区域分为熔凝区、马氏体区、热影响区和基体。熔凝区在极的温度梯度下，具有自淬火效应。马氏体区和热影响区在多脉冲的作用下，相当于经历了多次退火和回火过程，材料组织明显细化。轰击后样品表面的显微硬度与耐腐蚀性测试结果表明，显微组织细化，改善了金属材料表面的物化性能。 电子束合金化电子束合金化是采用高能量密度的电子束快速作用在金属表面上，通过精确控制电子束的功率密度和作用时间，将一种或多种合金物质快速熔入金属表面薄层熔区，使之发生物理或化学变化，从而使金属表面具有特定的合金成分的材料表面强化技术

16、。陆斌锋【11】等人以粉末为添加粉末，通过电子束加热工艺参数的优化，在表面复合层中原位合成了碳化铬。对样品的表面复合层进行分析，结果表明，表面复合层中主要包含两种相，即硬化相碳化铬和韧性相奥氏体组织，初生碳化物组织晶粒较大，共晶碳化物弥散分布于奥氏体基体中。由于大量碳化铬的存在，表面复合层的显微硬度明显提高，达到了母材的倍，显著提高了表面层的耐磨性能。张可敏口等人将精细钛粉预涂在体表面后采用强流脉冲电子束对其进行后处理。在电子束对表面的快速加热熔化、混合及增强扩散效应的作用下，部分钛熔人基体表面形成一层富钛层。在模拟体液中的动态极化测试表明，医用不锈钢经强流脉冲电子束表面钛合金化后，其在模拟体

17、液中的耐腐蚀性能获得了显著的提高。 离子束表面改性离子束表面改性技术是将元素的离子加速到左右并注入到基材零件的表面，在其表层形成几微米的改性层，以此来提高基材的表面性能【12-13】。整个过程清洁，对环境没有污染，而且材料基体的性能不受影响、不存在附着问题。离子束表面改性技术主要包括离子注入、离子束辅助沉积、离子束混合及离子束反冲注入等。 离子注入表面改性技术离子注入（ion implantation）就是将工件放在离子注入机的真空靶室中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子注入到工件表面，形成一层在组织和结构上都不同于基体的注入层，从而改善材料的性能。目前离子注入工艺已应用于许多工业部

18、门尤其是在工、模具制造业，效果突出。英国股份有限公司为了解决飞机发动机叶片材料的微粒磨损问题，曾比较了种不同的表面处理工艺，最后选择了三种，其中之一就是离子注入新工艺【14】。 离子束辅助沉积离子束辅助沉积【15】是一种将离子注入技术和物理气相沉积技术相结合的真空沉积技术。它是指在同一真空系统中，以离子束溅射沉积薄膜的同时，用几百电子伏特到几万电子伏特能量的离子束对其进行轰击，利用沉积原子和注入离子之间的一系列物理化学作用，来增强膜层与基体的结合，改善膜层质量。与其它薄膜制备方法相比，采用这种方法能够获得附着力极好的薄膜。正因为离子束辅助沉积的特殊作用和优点，使得该技术在合成新材料、制备功能膜

19、方面得到了广泛的应用。目前，利用该技术可以稳定地合成立方氮化硼（b3n）、类金刚石薄膜（）、tin和ti2n等多种优质膜层及陶瓷材料，尤其是tin和ti2n膜层，性能优良，具有良好的耐磨性和减磨性。离子束混合及离子束反冲注入（）离子束混合 离子束混合就是将所需的几种元素交替地镀在基体上，组成多层薄膜，每层约厚，然后用加速器容易获得的单能量离子。它的主要优点在于弥补了离子直接注入过程的的不足。有研究指出，经惰性气体离子轰击预镀钯的纯钛表面，生成钯改性表面，明显地提高钛在还原性酸中的耐腐蚀性能。（）离子束反冲注入离子束反冲注入就是指将所需要的元素，特别是难于熔化的金属元素，经真空蒸发或离子溅射，在

20、试样表面形成镀膜，然后用惰性离子，如xe+、ar、kr等轰击，将镀层原子撞击反冲到试样基体中去，起到对所需元素进行间接注入的作用。有人利用ar溅射原子，使沉积在纯铁表面，取得了很好的效果。高能束技术的发展趋势高能束技术在表面工程中的应用拥有明显的特点，根据这些特点和社会的需求，该技术的发展趋势主要包括以下几个方面：（）高能束热处理装置朝稳定性和专业化方向发展【16】。只要采取合适的能量束与材料的耦合技术，就能在快速或超快速的作用周期下产生其它表面工程技术达不到或难以达到的材料表面组织和性能，再结合行业的需要，高能束热处理技术将会得到巩固和发展。（）高能束技术将朝自动化、智能化方向发展。由于高能

21、束的可控性好，它可以自动控制激光束、电子束、离子束各种发，并将束流辐射到工件的各个部位。（）高能束技术朝着与其它表面工程技术相结合的方向发展。例如：将离子注入与激光表面强化技术相结合，将离子注入和常规气相沉积技术结合起来等。结束语高能束表面改性技术可以获得性能明显优化的涂层，具有广阔的发展前景。另一方面，高能束技术是一种绿色环保技术，不会造成环境污染，拥有极大的潜力和经济效益，国内外都在积极的进行研究，以便得到综合性能更好的涂层，推动表面技术的发展。参考文献 poate jmurfacemodificationandalloyingbylaser，ionandelectronicbeams，1986，3：26-31 安永畅南最近的表面改性技术国外金属加工，1990(1):12-15 顾延慰，傅永庆国外金属加工，1995，6：46-49 刘正埙高能束加工技术航空工业出版社。