高能束热处理

1、高能束热处理简介机械工程及自动化学院李岩 SY1307202高能束热处理的定义 高能束热处理是上世纪80年代发展起来的局部表面改性技术。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，使其发生物理、化学或相结构转变，从而达到金属表面改性的目的，这种热处理方式称为高能束热处理。高能束热处理的特点 1）加热速度高达5103 /s以上，金属共析转变温度Ac1点上升100以上，因此高能束热处理时允许金属表面温度在熔化温度和相变点Ac1间变化。尽管过热度大，但不会过热或过烧。 2）高能束热处理属非接触试加热，没有机械应力作用。由于高能束加热和冷却速度都快，热应力极小，因此工件

2、变形也小。高能束热处理的特点 3）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，可得到细化和超细化金属表面。 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，冷速高达104 /s,保证完成马氏体的转变,且急冷可抑制碳化物的析出，从而减少脆性相的影响，并获得隐晶马氏体组织。高能束热处理的特点 5）高能束热处理金属表面将会产生200800MPa的残余应力，从而大大提高金属表面的疲劳强度。高能束热处理的分类 常用的高能束有：激光束，电子束，离子束等。 通常将高能束热处理分为：高能束相变硬化处理、高能束熔敷处理、高能束合金化、高能束非晶化、高能束冲击硬化以及高能束

3、气相沉积等。高能束与金属材料的交互作用 1、能量传递与转换 由能量守恒定律，E0=E反射+E吸收+E透过 ，对 于金属材料， E透过 =0. 两端除以E0 ，1=E反射/E0+ E吸收/ E0=R+. R称为材料的反射率， 为材料的吸收率。 对于激光、电子束和离子束而言，它们对同一材料状态的反射率和吸收率是不同的，其中激光束的反射率最高。且随激光入射到材料内部深度的增加，激光强度将以几何级数减弱。激光的波长越短，吸收率越高。材料对激光的吸收率随温度而变化，其趋势是随温度升高，吸收率增大。材料表面粗糙度越大，激光的吸收率越大。 2.高能束与物质的三种作用类型 热作用 力作用 光作用 当作用在金属

4、材料表面的激光功率超过一定阈值，且作用时间很短，光能转化的热能没有时间向基体传递，于是该层发生爆炸气化，蒸气在激光照射下产生等离子体，产生反冲压力波。 当某种气体吸收激光光子后，当激光光子的能量大于形成气体的原子键能时，光子可以直接切割化合键，从而使气体发生光反应形成新的特定物质。高能束作用下的传热过程 1.沿层深的温度分布及其变化。由表及里，温度逐渐降低，当表层温度开始下降时，其次表层的温度还继续升高。这反应出高能束处理过程中热量由表及里的滞后传递，材料的传热系数越小，这种滞后效应越明显。 2.沿扫描方向上的温度分布及其变化。当激光的作用距离x与光束直径相当后，表面温度分布已经达到稳定态，其

5、温度分布几乎一致。当激光以恒定速度扫描运动时，表面的最高峰值温度不是在光束的中心位置，而是偏离了中心一定距离，其偏离程度随着光束扫描速度的增加而增大。束斑前侧的温度梯度比后侧的温度梯度低。显然激光的扫描速度越快，其基体的冷却速度越大。高能束加热引起的物质状态变化 问题：是不是高能束的强度越高越好呢？ Ans:随着高能束的强度逐渐增加，材料吸收的热量也随之增加，材料表层依次发生熔化、气化、升华等现象，此时，若高能束强度继续增加，达到和超过击穿气体的阈值时，将形成等离子体，这些等离子体吸收载能束粒子，进而起到了屏蔽作用，使高能束的有效利用率大大下降。激光热处理 激光热处理是以激光作为热源的热处理技

6、术。包含多种工艺： 激光相变硬化，激光熔凝，激光合金化，激光非晶化等。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为热能，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，一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自冷淬火。激光相变硬化的特点 1.极快的加热速度和冷却速度，通常只需要0.1秒就可以完成淬火。 2.仅对工件表面进行淬火，硬化层可以精确控制，淬火后工件变形小，无脱碳现象，表面光洁度高。 3.硬度比常规淬火硬度提高15%-20%。 4.对工件的许多部位，如盲孔、内壁，可方便实现淬

7、火。激光作用下合金的相变 1.相变完成后奥氏体成分不均匀 由于加热区的温度梯度很大，因而碳化物的溶解以及奥氏体中碳和合金元素扩散再分布的情况随不同部位而有很大差异。 2.热扩散 热扩散是指由温度梯度引起的原子迁移现象，已被成功运用到同位素分离。激光淬火的硬度 激光淬火可以获得高硬度，其值高于普通淬火硬度20%左右。下图是几种金属材料激光淬火硬化层的硬度沿层深分布。激光淬火的残留应力 激光相变处理时，金属表面将经历加热和冷却的过程，由于时间很短，必然产生应力。激光熔凝 激光熔凝是将激光束加热工件表面至熔化到一定深度，然后自冷使得熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面。 特点： 1、表面熔化时一般不添加任何合金元素。 2、在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体。 3、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。激光表面合金化 用表面合金化的方法代替整体合金以节约金属资源是材料工作者的重要研究工作之一。激光合金化是在高能束激光的作