金属表面改性幻灯片.ppt

金属的表面改性 姓名 崔珊学号 2014131026 表面技术提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性的主要途径 施加各种覆盖层和采用各种表面改性技术 表面改性技术用机械 物理 化学等方法 改变材料表面的形貌 化学成分 相组成 微观结构 缺陷状态或应力状态 使材料表面获得与其基体材料的组织结构 性能不同的一种技术 表面改性技术 常用的金属表面改性技术主要有 1 激光表面改性2 离子束表面改性3 金属表面涂塑4 气相沉积硬涂层技术5 化学热处理表面改性 1 激光表面改性 定义 利用激光束极快地加热工件表面 改变材料表面的结构 从而使材料表层的物理 化学 力学性能发生变化的方法 激光的特性 与普通光相比 激光具有高度度的单色性 方向性 亮度性 相干性和极大的能量密度 对金属材料表面改性而言 激光是一种聚焦性好 功率密度高 易于控制 能在大气中远距离传输的热源 激光束与材料表面的相互作用 激光照射到材料表面 激光被材料所吸收而转化为热能 表层材料受热升温 发生固态转变 熔化甚至蒸发 材料在激光作用后冷却 激光表面改性技术的优点 1 激光表面改性层稀释率低 且既可是多组元的化合物层 也可以是具有多种性能匹配的梯度涂层 2 激光表面改性层厚度容易调节 并可采用机加工的方式控制表面精度 3 激光表面改性层与基体呈牢固的冶金结合 不会出现剥落现象 4 激光表面改性处理速度快 热影响区小 不会引起基材性能和尺寸变化 激光表面改性技术的分类 1 激光熔覆 LSC 2 激光表面合金化处理 LSA 3 激光相变硬化 LTH 4 激光表面熔融处理 LSM 1 激光熔覆 LSC 采用大功率激光束扫描金属表面 加热基体材料并形成浅熔池 同时加入其他种类的粉末一起熔化 随后快速凝固 在金属表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层 以改善其表面性能 激光熔覆技术示意图 激光熔覆材料通常是Co Ni和铁基合金 碳化物和氧化铝陶瓷等 材料的形式一般为粉末 丝材或者板材 基体材料一般为钢 铸铁 不锈钢和铝等 熔覆材料也可以预先涂覆 熔覆材料和基体材料达到冶金结合但又要求只受到最小的稀释 从而提供良好的磨损和腐蚀抗力 激光熔覆 2 激光表面合金化处理 LSA 利用高能量的激光束将基体材料和加入的合金化粉末一起熔化后快速凝固 从而形成不同化学成分和结构表面的合金层 由于激光加热速度快的特性 发生成分 组织和性能变化的熔化区及热影响区都很小 合金元素完全溶解于表层内 获得的改性层成分很均匀 对皲裂和剥落等倾向不敏感 激光表面合金化技术示意图 3 激光相变硬化 LTH 铁基合金激光相变硬化是在固态下经受激光辐照 其表层被迅速加热至奥氏体化温度以上 并在激光停止辐照后快速自激淬火得到马氏体组织的一种工艺方法 LTH适用于珠光体灰铸铁 铁素体灰铸铁 球墨铸铁 碳钢 合金钢和马氏体不锈钢等 硬化层深度一般在0 5 1 0mm 激光相变硬化的主要目的为 增加硬度和强度 减低磨损和提高疲劳寿命 以及对马氏体不锈钢进行再行淬硬和产生表面碳化物等 激光相变硬化的实质是马氏体相变硬化 马氏体和亚结构晶粒都被超细化 相变硬化后残余奥氏体也被显著强化 与常规热处理淬火相较 激光相变后材料硬度提高15 20 4 激光表面熔融处理 LSM 采用近于聚焦的激光束对材料的表面进行辐照 使之熔化 然后依靠热传导快速冷却并凝固 凝固的冷却速度可达到100 106 s 激光熔融处理后得到的组织有非晶组织 固溶度增大的固溶体 超细共晶组织及细树枝晶结构 具体情况视工艺参数而定 激光晶粒细化是应用LSM使材料组织细化并改善表面质量提高机械性能的一种工艺方法 特别适用于铸造合金 2 离子束表面改性 定义 离子注入是将某种元素的原子进行电离 并使其在电场中加速 在获得较高速度后射入固体材料表面 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 应用对象 主要是金属固体 如钢 硬质合金 钛合金 铬和铝等材料 应用最广泛的金属材料是钢铁材料和钛合金 但是 用离子注入方法强化面心立方晶格材料是困难的 注入的离子 Ni Ti Cr Ta Cd B N He等的离子 经离子注入后可大大改善基体的耐磨性 耐蚀性 耐疲劳性和抗氧化性 离子注入设备右图是离子注入装置简图 装置包括离子发生器 加速系统 分选装置 离子束扫描系统 试祥室和排气系统 从离子发生器发出的离子由几万伏电压引出 在几万至几十万伏电压的加速系统中加速获得高能量 进入分选部 将一定的质量 电荷比的离子选出 通过扫描机构扫描轰击工件表面 离子与工件材料发生一系列相互作用 离子注入的原理 入射离子经过与电子 原子若干次碰撞后 自身的能量几乎耗尽而停止运动 在材料中的一定深度处停留下来 成为材料中的一种杂质原子留在固体中 图右侧注入处 离子束金属材料表面改性技术优点 注入的元素可以任意选取 无需改变材料的整体特性 就可有选择地改变材料的表面特性 注入或添加到基体中的原子不受基体固溶度的限制 不受扩散系数和化合结合力的影响 强流氮和强流金属离子束的束流强度可达5 50mA 提高了注入效率 离子注入不改变工件尺寸 适用于精密零件的表面处理 子束增强沉积可获得厚度大于1 m的改性层或超硬层 可应用于恶劣条件 离子注入金属表面合金化机制离子注入金属表面会改善材料的耐磨性 耐蚀性 硬度 疲劳寿命和抗氧化性等 以下从微观角度分析离子注人改善性能的机制 辐照损伤强化 离子注入产生的辐照损伤增加了各种缺陷的密度 改变了正常的晶格原子的排列 同时 注入元素离子阻止位错滑移 从而使表面层强化并降低表面疲劳裂纹的形成可能性 但对疲劳裂纹的扩展影响不大 固溶强化 离子注入可获得过饱和度很大的固溶体 固溶强化效果较强 而且注入离子对位错的钉扎作用也使材料得到强化 沉淀强化 注入元素可能与基体材料中的元素形成各种化合物 使表面离子注入层产生沉淀强化 如钛离子注入含有C的钢或合金中 有可能形成TiC微粒沉淀 非晶态化 当离子注入的量达到一定值时 可使基体金属形成非晶态表面层 因此可降低钢的摩擦系数 提高耐磨性 由于非晶态表面没有晶界等缺陷 可显著提高耐蚀性能 残余压应力 离子注入可产生很高的残余压应力 有利于提高材料表层的耐磨性和疲劳性能 表面氧化膜的作用 离子注入引起温度升高和元素扩散的增加 使氧化膜增厚和改性 从而降低摩擦系数 通过改变注入的离子种类可改变氧化膜的性质 如氧化膜的致密性 塑性和导电性等 离子注入应用现状目前