高能束表面改性技术

1、,第9章 高能束表面改性技术 9.1 激光表面改性技术 9.2 离子束表面改性 9.3 电子束表面改性,9.1 激光表面改性技术 激光表面改性 不改变基材表面成分,改变基材表面成分,激光淬火 激光非晶化激光极化激光清洗,激光退火 激光熔凝淬火激光冲击硬化激光组织细化,激光熔覆 激光诱导液相沉积 激光增强电镀,激光合金化 激光物理气相沉积 激光化学气相沉积,图9-1 激光表面改性技术的分类,9.1 激光表面改性技术 n 激光表面改性的特点 功率密度大，加热速度快，基体自冷速度高； 工件热变形很小； 可以局部加热； 可以实现在线加工和自动化操作。,9.1 激光表面改性技术 n 激光束与材料表面的相

2、互作用 激光照射到材料表面； 激光被材料吸收变为热能； 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。,9.1 激光表面改性技术 n 金属对激光的吸收 激光的波长越短，吸收率越高； 温度升高，吸收率增大； 电导率越高，吸收率越低； 表面粗糙度愈大，其吸收率愈大。,9.1 激光表面改性技术 n 激光束与金属作用的类型 热作用 力作用 光作用,9.1 激光表面改性技术 n 激光束表面相变硬化 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成热能，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。因此，

3、一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自淬火，故又叫做激光淬火。,9.1 激光表面改性技术激光束表面相变硬化 n 激光作用下的合金中的相变 n 相变的热力学条件：相变的热力学条件是指相变过程必须在相平衡温度以上的温度范围内完成。 n 成分特点：相变完成后奥氏体成分很不均匀。 n 组织特性：奥氏体晶粒小而不均匀，易得到隐针或细针马氏体组织。,9.1 激光表面改性技术激光束表面相变硬化 GCr15钢激光淬火硬化层不同部位化学成分,9.1 激光表面改性技术激光束表面相变硬化 n 激光束表面相变硬化处理前工件表面的预处理：黑化处理使吸收率大幅提高。 n 常用的黑化处理方法：磷化法、碳素法和涂覆红外

4、能量吸收材料。,9.1 激光表面改性技术激光束表面相变硬化 表10-1 激光束相变硬化实例,9.1 激光表面改性技术激光熔覆 n 激光熔覆：用激光在基体表面熔覆一层薄的具有特定性能的材料，要求基体对表层合金的稀释度为最小。 预涂覆激光熔覆法 同步送粉法,9.1 激光表面改性技术激光熔覆 预涂覆激光熔覆法：先把熔覆合金通过粘结，喷涂，电镀，预置丝材或板材等方法预置在将熔覆材料表面上，而后用激光束将其熔覆。 同步送粉法：在激光束照射基体材料表面产生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光熔池内实现熔覆。,9.1 激光表面改性技术激光熔覆 n 激光熔覆的优点： 冶金结合； 加热速度很快； 热变形

5、较小； 适用于面积较小的局部处理。,9.1 激光表面改性技术 n 激光合金化：利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。 激光表面合金化示意图,9.1 激光表面改性技术激光合金化 n 激光合金化的工艺形式 预置法 硬质粒子喷射法 气相合金化法,9.1 激光表面改性技术激光合金化 n 激光合金化的优点 使难以接近的和局部的区域合金化； 在快速处理中能有效地利用能量； 利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度； 能准确地控制功率密度和控制加热深度，从而减小变形； 可以节约大量的具有战略价值或贵重的元素，形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒细

6、化，提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析。,9.1 激光表面改性技术 n 激光表面非晶化原理 利用能量密度数量级高达106Wcm2的CO2激光器连续激光束，以极快的速度(如110ms)扫描，在金属表面形成过热度很高的薄层熔 体。同时，在热量尚未传给冷基体的条件下，熔体与相邻冷基体之间保持了很大的温度梯度，从而实现了熔体的超快速冷却，使熔体过冷至其晶化温度以下，防止晶体成核和生长，从而在金属表面形成非晶。,9.1 激光表面改性技术 n 激光熔凝 也称激光熔化淬火，用激光束将获得工件表面加热熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性能的表面改性技术。,9.1 激光表

7、面改性技术 n 激光诱导化学反应沉积技术 激光诱导化学气相沉积技术 激光诱导液相反应沉积技术 激光诱导固相反应技术,9.1 激光表面改性技术 n 激光诱导化学气相沉积技术,9.1 激光表面改性技术 n 激光清洗技术 用功率密度很高（1081011w/cm2）的激光束，在极短的脉冲持续时间内（10-910-3s）照射金属表面使表面的污物、颗粒、锈斑或者涂层等附着物很快气化，从而达到洁净化的工艺过程。,9.1 激光表面改性技术 n 激光冲击硬化 在表面原子逸出期间产生动量脉冲而形成的冲击波或应力波作用于金属表面使表层材料显微组织中的位错密度增加，形成类似于受到爆炸冲击或高能快速平面冲击后产生的亚结

8、构，从而提高合金的强度、硬度和疲劳极限。,9.2 离子束表面改性 n 离子注入基本原理 在离子注入机中把各种所需的离子加速成具有几万甚至百万电子伏特能量的载能束，并注入金属固体材料的表面层。,图9-1 离子注入装置简图,9.2 离子束表面改性 n 离子注入表面改性的一般机理 损伤强化作用 弥散强化作用 喷丸强化作用 提高抗氧化性 提高润滑性 提高耐腐蚀性,9.2 离子束表面改性 n 离子注入的特点 周期表上的任何元素，都可注入任何基体材料； 可得到用其它方法得不到的新合金相； 离子注入层与基体结合牢固； 易于精确控制注入离子的浓度分布 ； 工件表面无形变、无氧化； 可有选择地改变基体材料的表面能量，并在表面内形成压应力。,9.2 离子束表面改性 n 轰击扩散镀层（BDC） n 离子束混和（IBM）技术 n 等离子体浸没离子注入（PIII）,9.3 电子束表面改性 n 电子束表面改性原理 当高速电子束照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。,9.3 电子束表面改性 n 电子束改性的方法 电子束淬火 电子束表面合金化 电子束覆层 制造非晶态层,9.3 电子束表面改性 n 电子束改性的特点 能量利用率非常高； 能量透入深度大； 在真空条件下进行； 对焦方便； 可通过电流任意控制束流偏转； 设