第八章-高能束表面改性技术.ppt

1、第1、8章高能束表面改性技术，激光表面改性电子束表面改性离子注入表面改性，第2章激光束和离子束，电子束共称为“3束”。利用“三束”改造或合金化材料表面的技术是近10多年来迅速发展的材料表面处理新技术。3、牙齿技术主要是利用激光束、电子束获得极高的加热和冷却速度，在短时间内加热或熔化表面区域，形成异常过饱和固溶体和亚稳定合金，使材料表面具有特殊性能，提高工件的使用性能，扩大材料的应用领域。第二，利用离子注入技术，可以将异质原子直接引入表面层进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受现有合金化热力学条件的限制。4，1。“激光，激光”一词在英语中是“激光”，是“light amplification

2、by stimu iatad emission of radiation”的缩写，意思是“接受”，根据1964年我国著名科学家转学生的建议，“光刺激史”，8.1激光表面改性，5，激光的特点，方向性好的单色性好的能量集中相关性，6，激光表面处理技术，激光表面处理技术是以定向高度集中、能量高度集中的激光束作为热源对材料进行表面改性或合金化的技术。激光表面处理引起了物理和化学的变化，大大提高了材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、高温性能等，大大提高了产品质量，延长了产品寿命，降低了成本，提高了经济效率。7，激光表面处理技术工艺激光相变强化，激光熔凝，激光合金化，激光非晶化，激光冲击硬化等。8，2。激光相变

3、硬化，激光相变硬化也称为激光淬火。用高能激光束快速扫描工件，从材料表面极薄的部分区域快速吸收能量，使温度急剧上升(温升速度高达105/s106/s)，快速达到奥氏体温度。此时，工件气体仍然很冷，激光离开后，由于热传导的作用，牙齿表面被加热区域内的热量迅速传递到工件的其他部分。9，10，激光相变硬化特性，与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有硬化层微结构细化、硬度、变形减少、硬化层深度精密控制、无淬火介质等优点，可在碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料制造的零件表面上进行，11，实际上，激光输出功率、功率密度、光斑尺寸、扫描速度等变量是控制的重点，其他变量包括金属的表面特性、热导

4、率、熔点、沸点等。扫描速度太慢，金属表面温度超过熔点或加热深度太深，无法自行点火。扫描速度太快，表面可能达不到相变温度。功率密度是激光功率和光斑尺寸，功率密度太小，无法在表面获得足够的热量，无法达到所需的相变温度。12，此外，激光加热依赖宽加热，只有部分激光被材料表面吸收，变成热，其他部分激光在材料表面反射。激光波长越短，金属的反射大小就越小。电导率值越高，金属对激光的反射大小就越大。表面粗糙度小的反射率也高。因此，在激光表面的淬火处理之前，为了提高金属表面激光束的吸收率，通常需要在工件表面预先设置吸水层，字典处理工件。这称为“发黑处理”，可以大大提高吸收率。常用的石墨化处理方法包括磷化法、碳

5、法、红外能量吸收材料，如胶体石墨、炭黑和硅酸钠，或含有硅酸钾的涂料等。牙齿中磷化方法最好。吸收率为80，膜厚只有5米，不会生锈，激光处理后无需去除即可组装。13，激光相变硬化的应用，激光相变硬化是激光表面处理技术最成熟、应用最广泛的方法之一。具有节约能源、高效、精密、高性能等独特优势，在生产应用领域具有明显的经济效益。20世纪70年代欧洲和美国等在汽车行业应用激光相变硬化，首先获得了工业应用。1974年，美国通用汽车公司采用激光表面相变硬化技术，将汽车转向外壳内腔(可锻铸铁)的耐磨性提高了10倍，80年代已有17条激光表面相变硬化处理生产线每天处理33000件。14、国内20世纪80年代以来，

6、激光相变硬化工艺的应用开发在车辆、机械、矿山、模具等方面也建立了很多成功案例。例如，在汽车或拖拉机缸套内壁，激光相变硬化处理，使缸套的使用寿命加倍。15，激光合金化和熔化是相同类型工艺、激光合金化形成的合金层的成分是合金和气体金属之间的中间成分，这两者之间存在差异。也就是说，合金受到更大的或一定的稀释。激光熔化除了狭窄的结合层外，应用合金几乎不稀释原成分。这种差异可以通过应用的材料、合金成分、应用的格式和数量以及激光工艺参数的变化来实现。3 .激光合金化和激光熔化，16，1)激光合金化是利用激光束将一个或多个合金元素快速熔化到气体表面，使廉价气体表面成为特定合金成分的技术。也就是说，利用激光改

7、变金属或合金表面化学成分的技术。激光合金能量密度一般采用104106Wcm2，接近焦点的光束。气体材料是碳钢、铸铁、铝、钛、镍基合金等。17、激光合金化工艺、激光合金化工艺三种：字典设定法、硬质粒子喷射法、气象合金化法，以下仅介绍字典设定法。使用电沉积、气相沉积、离子注入、粉刷涂层、渗透层再利用、火焰和等离子电弧喷涂、黏胶涂层等方法，在要合金化的材料表面预涂所需合金粉末，然后加热激光，使其熔化，在表面形成新的合金层。这种方法在合金化某些铁基表面时普遍采用。粘结剂漆字典漆的优点是经济、方便、合金化，没有合金元素限制，易于制作混合成分粉末。缺点是涂层的厚度不易控制。18，字典设定的激光合金化示意图

8、，19，激光合金化的应用，激光合金化有效地提高了表面层的硬度和耐磨性。对于钛合金，采用激光碳硼共渗和碳硅共渗方法实现钛合金表面的硅合金化，硬度从299376HV提高到14302290HV，在与硬质合金圆盘抛光时，合金化后的耐磨性可以提高2数量级。美国AVCO用激光合金化工艺(激光合金化)处理汽车排气阀，提高了耐磨性和抗冲击性。在45钢中进行的TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，耐磨性是CrWMn钢的10倍，牙齿工艺处理磨床托盘比原始CrWMn钢托盘寿命长34倍。20，铝合金气缸体激光合金化，21，2)激光表面熔化是指利用激光加热基板表面，形成更浅的熔池，激光熔化的特点是表面处理、喷

9、涂、传记电镀、气体沉积相比稀释度低，组织致密，涂层和气体结合良好，熔覆材料多，粒度和含量变化大。激光熔凝的气体材料包括碳钢、铸铁、不锈钢、铝等，涂层材料包括Co、Ni、Fe基合金、碳化物、氧化铝、陶瓷等。22、激光熔覆工艺分为两种：一种是字典熔覆激光熔覆方法，类似于激光合金化的字典设置方法。也就是说，首先通过粘合、喷涂、传记电镀、字典设置线或板材等将涂层合金字典设置在包层材料表面，然后用激光束熔化。另一种是空气相送法(激光熔池)，在激光束照射气体材料表面的同时产生熔池，同时用惰性气体将涂层粉末直接喷射到激光熔池中熔化。为了调节包层的成分或形成梯度功能，包层可以采用多种蜜粉传递方式。23、激光熔

10、覆工艺图表，24、激光熔覆在现代工业中表现出了明显的经济效益。复盖范围涵盖许多产业领域，主要包括以下方面：航空航天工业首先吸收激光熔化的优点，用于生产部门。不仅用于加工零件，还用于维修。1981年，美国首先使用激光融化技术加强RB-21侦察轰炸机的喷气发动机涡轮叶片，对铸造的基于Ni的合金涡轮叶片使用2kW C02激光，并结合同步输送技术融化三元合金层，取得了成功。激光技术先进，热影响面积小，产品质量好，成品率高，可省去熔后抛光加工，大量节约昂贵的固化材料，经济效益非常明显。激光熔覆应用节目，25，26，首次采用激光熔覆技术的汽车部件是发动机排气门的密封锥形熔覆合金。目前国内外排气门表面高温耐

11、热合金大部分采用等离子喷涂技术，但喷焊层容易产生气孔，废品率高，粉末消耗量大，1988年日本发表了同时气相输送法激光熔化排气门的专利。国内也开发了激光熔覆工艺之类的东西，并用于工业生产。27，激光熔覆技术应用过程中的一个重要问题是熔覆层的裂纹问题，特别是大工件的熔覆层，裂纹几乎是不可避免的问题。为此，研究人员不仅改进了设备，进行了相应的工艺探索，还开发了适合激光熔覆工艺特征的熔覆合金粉末和其他熔覆材料。28，电子束在工业上应用已有几十年的历史，但金属表面处理方面的应用始于20世纪70年代初期。电子枪发射的高速电子束属于高能量密度热源，其最高功率密度是109W/cm2，这是激光无法比拟的。这种高

12、能电子束照射在金属表面时，电子类可以进入材料表面的一定深度，与气体金属的原子碰撞，转化为动能热，与金属表面原子传递，在很短的时间内提高金属表面温度，快速加热，快速冷却，其速度达到103106/s，通过能量密度控制，表面相变化，表面熔化强化，8电子枪由发射阴极、控制栅和加速阳极组成。发射阴极由纯钨或纯炭制成，加热后释放大量电子。1 .电子束产生和工作原理，30，电子束表面处理的特点，电子束加热能量利用率高，激光加热的9倍，能量消耗是感应加热的1/2。非接触加工，工件不受机械力作用，很少发生宏应力变形，表面质量高。也没有工具损失问题。局部可处理，形状复杂的工件深孔、楼梯、斜面均可处理。每个工艺参数

13、都很容易控制。可以精确地控制电子束强度、位置、焦点，缺点是电子束要在真空室处理，所以很不方便。，31，1)电子束表面相变硬化，电子束表面相变硬化也称为电子束表面淬火，利用高能电子束快速扫描工件，加热速度控制为103105/s，金属表面薄层在相变点以上快速加热，目前工件气体仍处于冷态。随着电子束的移动和热传导作用，表面热迅速传送到工件中心或其他区域，并发生高速冷却(冷却速度108Ks1010 Ks)牙齿马氏体等变异，瞬间实现自身冷火。2 .电子束表面改性工艺，32，目前利用电子束加热装置对零件进行表面相变硬化，达到了相当准确有效的水平。牙齿方法应用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。

14、例如，2kW3.2kW电子束处理45钢和T7钢的表面，块状直径为6mm，加热速度为3000s5000s，钢的表面为银针和细针马氏体，45钢表面的硬度为62HRC到。T7钢表面硬度66HRC。33，2)电子束表面再熔处理，用电子束轰击工件表面，使表面部分熔化，停止电子束轰击，熔化处迅速凝固，金属表面形成微观结构，提高表面硬度和韧性。对于某些合金，电子束再熔允许金属组织的化学元素再分配，减少某些元素微分离程度，提高工件表面的性能。目前电子束再熔主要用于模具的表面处理，以保持或提高模具的韧性，同时提高模具的表面强度、耐磨性和热稳定性。高速钢冲压模具的末端边缘通过电子束再熔得到深度为1mm，硬度为66

15、67HRC的表面层，优化了显微结构，碳化物非常细，分布均匀，强度和韧性最佳。34，3)电子束表面合金化，电子束表面合金化与激光表面合金化有些相似，具有特殊性能的合金粉末或化合物粉末(如B4C、WC等)预先涂在金属表面，然后加热到电子束或在电子束作用过程中加入所需的合金粉末，使其熔化到工件表面，形成与原金属材料的成分和组织完全不同的新合金，电子束表面合金化所需的电子束功率密度为或者，您可以增加电子束照明，以使熔胶在气体表面的特定深度内发生。(David aser，Northern Exposure，美国电视电视剧，Northern Exposure)，35，电子束表面的相变硬化首先用于汽车工业和

16、宇宙工业。铬硼烷用钢SAE5060钢(美国结构钢)制成的汽车离合器浸泡电子束表面。工作室真空度为6.67 Pa，体积为0.03 m3。电子束以预定的模式在三个离合器槽表面加热点火，然后将工件旋转到下一个槽，然后放下工作台拆卸工件，直到所有八个槽都被浸泡。硬化层深度为1.5mm，表面硬度为58HRC。整个工作共42 s小时，每小时处理250个工件，克服了感应加热表面无法克服的变形问题。3 .电子束表面改性应用，36，美国SKF工业公司和空军光研究所共同研究了航空发动机主轴轴承环的电子束表面相变硬化技术。由美国M50(4Cr-4Mo-V)钢制成的轴承环在作业条件下容易产生疲劳裂纹，因此突然断裂。利

17、用电子束进行表面相变硬化后，从轴承旋转接触面得到了0.76mm的硬化层，有效地防止了疲劳裂纹的产生和扩展，解决了疲劳破坏问题，提高了轴承套圈的寿命。37，1。离子注入原理，在真空中注入元素离子，利用电场加速作用形成数万数百万电子伏特离子束流，集成到工件气体材料中，离子束与气体表面的原子核或电子碰撞多次，能量逐渐消耗，最终停留在材料中，引起材料表面成分、结构和性能变化。，8.3离子注入表面改性，38，离子注入技术可注入多种离子，改变材料表面成分，优化材料表面性能，使工件具有新的优良性能，是纯无污染的表面处理技术。近30年来，离子注入技术在国际上得到了蓬勃发展和广泛应用。39，2。作为离子注入的特点，离子注入完全渗透到气体表