材料表面与界面(3-2)

1、材料的表面与界面材料的表面与界面Surfaces and Interfaces Surfaces and Interfaces in Materialsin Materials第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.1 激光表面改性的特点激光表面改性的特点 激光束和电子束发生器有足够的能量促使短时间内加热和活化大面积的表激光束和电子束发生器有足够的能量促使短时间内加热和活化大面积的表面区域。离子束：把异类原子直接引入表面层进行表面合金化，而引面区域。离子束：把异类原子直接引入表面层进行表面合金化，而引

2、入原子的种类和数量不受常规合金化热力学条件的限制。入原子的种类和数量不受常规合金化热力学条件的限制。激光表面改性有如下特点：激光表面改性有如下特点：1 由于加热速度极快，基体温度不受影响由于加热速度极快，基体温度不受影响2 加热层深几个加热层深几个m，这样薄层熔化需要能量几个，这样薄层熔化需要能量几个J/cm2，三束能量很，三束能量很高，可以在表面产生高，可以在表面产生106108K/cm的温度梯度，表面迅速熔化，的温度梯度，表面迅速熔化，此温度梯度又使熔化部分以此温度梯度又使熔化部分以1091011K/s速度速度 冷却，冷却，S-L界面推移界面推移速度为每秒几米。速度为每秒几米。3 激光表面

3、改性可提高表面抗蚀性和耐磨性，还可用于半导体技术和激光表面改性可提高表面抗蚀性和耐磨性，还可用于半导体技术和催化剂技术。催化剂技术。4 激光表面改性包括：改变表面成分：合金化、熔覆；改变表面结构：激光表面改性包括：改变表面成分：合金化、熔覆；改变表面结构：表面相变硬化。表面相变硬化。 5 表面形成亚稳组织，产生特种性能。表面形成亚稳组织，产生特种性能。 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.2 激光与材料表面的交互作用激光与材料表面的交互作用 （1）激光器）激光器 固体（固体（YAG）激光器，气体（）激光器，气体（CO2）激光器。）激光器。1K

4、W以内为小功率，以内为小功率，15KW为中等功为中等功率，率，520KW为大功率。为大功率。（2）激光作用于材料表面的热反应）激光作用于材料表面的热反应Ex=Eo（ （1-R） ）exp（ （-x） ）式中：式中：Ex为穿透深度为为穿透深度为x处的激光能量处的激光能量 Eo为为激光束能量激光束能量 R为为表面表面对对激光的反射率激光的反射率 为为激光在材料内的吸收系数激光在材料内的吸收系数Ex随随x变变化极快，一般穿透深度小于化极快，一般穿透深度小于0.1m。 。热传导：低温：声子热传导热传导：低温：声子热传导 中温：电子热传导（几百几千中温：电子热传导（几百几千） 高温：辐射热传导高温：辐射

5、热传导（3）激光辐射照产生的应力与应变）激光辐射照产生的应力与应变 加热时表面膨胀，产生横向压应力，发生压缩变形，使材料挤出表面。加热时表面膨胀，产生横向压应力，发生压缩变形，使材料挤出表面。 冷却时产生拉应力，拉伸塑性变形。冷却时产生拉应力，拉伸塑性变形。 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.3 激光表面相变硬化激光表面相变硬化 （1）黑化处理）黑化处理为提高工件表面对激光的吸收率，对表面进行黑化处理。主要包括：涂碳法、胶体石墨法、为提高工件表面对激光的吸收率，对表面进行黑化处理。主要包括：涂碳法、胶体石墨法、磷酸盐法。磷酸盐法。（2）激光

6、相变硬化及其组织）激光相变硬化及其组织利用高能束照射在可相变硬化的材料表面（以钢为例）使表面迅速加热到相变温度以上，利用高能束照射在可相变硬化的材料表面（以钢为例）使表面迅速加热到相变温度以上，形成奥氏体，当光斑扫过后，表层奥氏体被内层金属快速冷却，得到马氏体。形成奥氏体，当光斑扫过后，表层奥氏体被内层金属快速冷却，得到马氏体。硬化层的组织特点为：组织超细化；化学成分不均匀硬化层的组织特点为：组织超细化；化学成分不均匀微区成分不均匀的马氏体或残余微区成分不均匀的马氏体或残余奥氏体；晶体缺陷密度提高；未熔碳化物数量减少；残余奥氏体增加。奥氏体；晶体缺陷密度提高；未熔碳化物数量减少；残余奥氏体增加

7、。（3）激光硬化层的特征与性能）激光硬化层的特征与性能能量密度为：能量密度为： 。式中：。式中：P为激光功率；为激光功率；D为光斑直径；为光斑直径；V为扫描速度。为扫描速度。在不熔化的前提下，选择最大的在不熔化的前提下，选择最大的E，得到最大的表面硬度和硬化层深度。，得到最大的表面硬度和硬化层深度。硬化层的性能特点为：硬化层的性能特点为：1 硬度：各种金属材料，硬度比极值提高硬度：各种金属材料，硬度比极值提高20%，原因主要是细化晶，原因主要是细化晶粒；粒；2耐磨性：可以使耐磨性：可以使GCr15钢的使用寿命提高一倍；钢的使用寿命提高一倍；3残余应力：表面为残余压应残余应力：表面为残余压应力，

8、次表面为残余拉应力；力，次表面为残余拉应力；4疲劳性能：由于产生表面压应力，提高疲劳性能（疲劳疲劳性能：由于产生表面压应力，提高疲劳性能（疲劳裂纹多产生于表面）。裂纹多产生于表面）。VDPE第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.3 激光表面相变硬化激光表面相变硬化 （4）应用）应用 主要应用于汽缸套、邮票打孔机（寿命提高主要应用于汽缸套、邮票打孔机（寿命提高20倍）。倍）。（5）激光熔化淬火）激光熔化淬火 细化晶粒、纯净表面（杂质、气孔和化合物）、铸铁表面组织改进。细化晶粒、纯净表面（杂质、气孔和化合物）、铸铁表面组织改进。（6）激光非晶化）激

9、光非晶化 快速冷却使合金表面得到非晶。快速冷却使合金表面得到非晶。（7）激光冲击硬化）激光冲击硬化 高能激光束使表面气化，形成冲击波，仅作用于表面，使表面塑变、强化。高能激光束使表面气化，形成冲击波，仅作用于表面，使表面塑变、强化。 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.4 激光表面合金化激光表面合金化 （1）工艺介绍）工艺介绍目的：提高表面耐磨和防腐性能。目的：提高表面耐磨和防腐性能。方法：将合金化元素和陶瓷粉末以一定方式添加到基体金属表面，通过激光加热使其与基方法：将合金化元素和陶瓷粉末以一定方式添加到基体金属表面，通过激光加热使其与基 体

10、表面共熔而混合，形成表面特种合金层。体表面共熔而混合，形成表面特种合金层。表面涂合金方法：共沉积法和预沉积法。共沉积法：激光照射同时送入粉末，要求有高精表面涂合金方法：共沉积法和预沉积法。共沉积法：激光照射同时送入粉末，要求有高精 度送粉设备。预沉积法：粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、度送粉设备。预沉积法：粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、 预制薄板或金属箔。预制薄板或金属箔。影响合金化的主要参数：影响合金化的主要参数： 激光束参数：激光束参数：I：入射能量密度；：入射能量密度；tp：脉冲持续时间；：脉冲持续时间；Ro：材料对激光反射率：材料对激光反射率 d：光斑尺寸；：光斑尺寸

11、；de：有效光斑尺寸：有效光斑尺寸 材料热力学参数：材料热力学参数：D：热扩散系数；：热扩散系数；T：熔点；：熔点；P：蒸气压：蒸气压过程：通过熔化表面膜过程：通过熔化表面膜A和部分基体和部分基体B，把薄膜元素可控地结合入基体，把薄膜元素可控地结合入基体B中。液态混合之中。液态混合之 后，快速凝固，使合金化元素结合到基体表面。后，快速凝固，使合金化元素结合到基体表面。机制：形成理想的表面合金；利用快速加热和快速凝固形成特殊的亚稳合金，实现特殊的机制：形成理想的表面合金；利用快速加热和快速凝固形成特殊的亚稳合金，实现特殊的 性能。性能。第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表

12、面改性激光表面改性 3.3.4 激光表面合金化激光表面合金化 （2）表面激光合金化热力学）表面激光合金化热力学 以二元合金系激光表面合金化为研究对象，可有以下三种情况：以二元合金系激光表面合金化为研究对象，可有以下三种情况：1 固态和液态都互溶；固态和液态都互溶；2 液态互溶，固态有限互溶或完全不互溶；液态互溶，固态有限互溶或完全不互溶；3 液态不互溶。液态不互溶。 固态和液态都互溶：以固态和液态都互溶：以Pd-Ni为例。在为例。在Ni表面预制表面预制115nm厚的厚的Pd膜，用膜，用500W激光束熔激光束熔化时间为化时间为100s，表面，表面Pd含量达到含量达到12%，固溶机制为置换。，固溶

13、机制为置换。 液态互溶，固态有限互溶或不互溶：液态时是单相，到固态时为两相或多相，这一点液态互溶，固态有限互溶或不互溶：液态时是单相，到固态时为两相或多相，这一点很重要，为激光表面合金化能得到新的表面合金提供了可能。很重要，为激光表面合金化能得到新的表面合金提供了可能。 液态不互溶，固态互溶有限：以液态不互溶，固态互溶有限：以Ag-Ni为例。在为例。在Ni基体上预涂基体上预涂210nm厚的厚的Ag膜，激光膜，激光功率为功率为5MW/cm2，作用时间为，作用时间为10s，使表面熔化，但凝固后，使表面熔化，但凝固后，Ag和和Ni互相分开。如互相分开。如果果Ag膜厚度为膜厚度为1nm，熔化时间为，熔

14、化时间为200s。凝固后，。凝固后，Ag会以会以2%的浓度溶入的浓度溶入Ni基体，但基体，但Ni晶格被辐照损伤晶格被辐照损伤Ag在在Ni上实现表面合金化。要有足够薄的膜，高的熔化温度、长上实现表面合金化。要有足够薄的膜，高的熔化温度、长的熔化时间。的熔化时间。 沉积膜厚度与熔化深度比值决定了表面合金层的成分。沉积膜厚度与熔化深度比值决定了表面合金层的成分。 把低熔点物质表面合金化到高熔点物质上是困难的。如：把低熔点物质表面合金化到高熔点物质上是困难的。如：Zn表面合金化到表面合金化到W基底。基底。 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.4 激光

15、表面合金化激光表面合金化 （3）表面合金化举例）表面合金化举例 钢中加入钢中加入Cr、Ni、Mo的目的是提高表面耐周围环境的性能。所以为降低成本，只在表的目的是提高表面耐周围环境的性能。所以为降低成本，只在表面进行合金化处理。如：面进行合金化处理。如：70%Cr-30Ni%粉末涂在钢表面，激光合金化后，得到粉末涂在钢表面，激光合金化后，得到29Cr-13Ni表面合金，在表面合金，在H2SO4种与不锈钢有相同的耐蚀性。种与不锈钢有相同的耐蚀性。 用压轧方法在用压轧方法在Fe表面形成表面形成Mo薄膜，表面激光处理，产生的合金化区域，深度为薄膜，表面激光处理，产生的合金化区域，深度为450500m，

16、Mo的平均浓度为的平均浓度为12%，而平衡态下，而平衡态下，650时时Mo在在Fe中最大溶解度为中最大溶解度为4%，形成亚稳固溶体。形成亚稳固溶体。 Ti中加入中加入Pd可大大降低可大大降低Ti在还原酸中的腐蚀速率，在在还原酸中的腐蚀速率，在Ti表面预沉积表面预沉积15nm的的Pd膜，激光膜，激光处理后可形成深度为几百纳米，原子浓度为处理后可形成深度为几百纳米，原子浓度为4%的合金。的合金。 Zr基体涂基体涂Cu，激光热处理后得到，激光热处理后得到30%60%Cu的表面合金，这种合金往往是玻璃相的表面合金，这种合金往往是玻璃相 Cu表面涂表面涂Cr，激光处理后形成，激光处理后形成240nm的的

17、Cu-Cr合金层，平均浓度合金层，平均浓度8%，70nm处的峰浓处的峰浓度度18%，远远超过平衡，远远超过平衡Cr浓度（浓度（1%），表面形成），表面形成Cr2O3膜，起到钝化和不可渗透的膜，起到钝化和不可渗透的作用。作用。 Al表面表面强强化：加化：加Si、 、Cu、 、Fe可明可明显显提高表面提高表面层层硬度，但有硬度，但有时时会引起开裂。会引起开裂。 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.5 激光表面熔覆激光表面熔覆 （1）定义与方式）定义与方式 将具有某种特殊性能的粉末材料以最小的稀释度用激光涂在基体表面，从而获得特殊将具有某种特殊性能

18、的粉末材料以最小的稀释度用激光涂在基体表面，从而获得特殊的表面性能。的表面性能。 方式：方式：1预涂覆（粘结、热喷涂、电沉积），存在问题：基体熔化层深，稀释度大，预涂覆（粘结、热喷涂、电沉积），存在问题：基体熔化层深，稀释度大，目前国内以这种方式为主。目前国内以这种方式为主。2涂覆材料以粉末或丝、带方式直接送进激光形成的熔池，涂覆材料以粉末或丝、带方式直接送进激光形成的熔池，实现扩散结合的涂覆。用丝和带时反射率高，效果不佳。粉末吹送方式受到国内外重实现扩散结合的涂覆。用丝和带时反射率高，效果不佳。粉末吹送方式受到国内外重视。视。（2）粉末吹送涂覆过程）粉末吹送涂覆过程基本过程：基本过程： 1

19、粉末经过粉末输送管，用保护气氛输送到熔池粉末经过粉末输送管，用保护气氛输送到熔池 2 粉末到达熔池前粉末到达熔池前经过经过光束被加光束被加热热到到红热红热状状态态 3 进入熔池立即熔化进入熔池立即熔化 4 随基体运动和粉末连续输送实现涂覆随基体运动和粉末连续输送实现涂覆第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.5 激光表面熔覆激光表面熔覆 （3）粉末吹送涂覆参数）粉末吹送涂覆参数涂层宽度涂层宽度 W=D（1-bV），式中：），式中： D为光斑有效直径；为光斑有效直径； V为工件运动速度，为工件运动速度，b为常数。为常数。可以看出：可以看出：WD涂层

20、厚度涂层厚度 H=Cm/V，式中：，式中：m为供粉速度，为供粉速度， C为与工艺参数有关的常数。为与工艺参数有关的常数。 在激光熔覆过程中，稀释度在激光熔覆过程中，稀释度d应尽可能小，否则改变涂层原始性能。采用粉末吹送方式应尽可能小，否则改变涂层原始性能。采用粉末吹送方式时，时，d可控制在可控制在10%以内。激光能量密度以内。激光能量密度E提高和供粉速度提高和供粉速度m降低，可导致稀释度降低，可导致稀释度d提提高。高。激光功率基本运动速度涂覆形状稀释程度供粉速率涂层质量第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.5 激光表面熔覆激光表面熔覆 （4）激光涂覆的组织特点）激光涂覆的组织特点与激光