第9章-高能束表面改性-石油大学

1、表面工程,第九章 高能束表面改性,Ch.1 绪论 Ch.2 表面科学基础 Ch.3 表面热处理与化学热处理 Ch.4 热喷涂技术 Ch.5 电镀与化学镀 Ch.6 化学转化膜 Ch.7 涂装料及涂 Ch.8 气相沉积 Ch.9 高能束表面改性 Ch.10 表面分析与测试,表面工程,第九章 高能束表面改性,激光束 电子束 离子束,异类原子直接引入表面层，合金化种类、数量不受限制,特点：能量密度高，加热速度快，基体温度不受影响,相变硬化、微晶化、非晶化 熔覆、合金化,第九章 高能束表面改性,第一节 激光表面改性 第二节 电子束表面改性 第三节 离子注入表面改性,1. 激光的产生,9.1 激光表面改

2、性,一、概述,激光，“莱塞”，“Laser”的译音 Laser, “Light amplification by stimulated emission of radiation” 辐射的受激发射光放大 约1964年, 钱学森建议“激光”或“激光器”,热平衡，粒子位于低能级 受激到高能级，平均寿命较长为亚稳态能级 外界能源激发粒子数反转 诱发受激幅射激光,受激发粒子数反转,国外： 1916年，爱因斯坦，受激吸收和发射论文物理基础 1950后，汤斯和肖伯，两面反射镜形成光的振荡器 1960年，美国人梅曼，第一台红宝石激光器 1960年底，贾范，第一台氦氖激光器 1962年，出现了半导体激光器 1

3、964年，帕特尔，第一台CO2激光器 1965年，第一台YAG激光器 1971年，第一台商用1kWCO2激光器,2. 激光（器）的发展,光纤激光器,国内： 1961年，长春光机所第一台红宝石激光器 1963年，该所第一台氦氖激光器 武汉华中科技大学和上海光机所高功率CO2激光器,3. 激光的特性,（1）高亮度 B=P/S（W/cm2Sr） 太阳：2103 W/cm2Sr 气体激光器： 108 W/cm2Sr， 固体激光器：1011 W/cm2Sr 焦点产生数千至上万度高温,（2）高方向性 发散角（）小 传递较长距离的同时，保证聚焦得到极高的功率密度,（3）高单色性 谱线线宽很窄 比最好的单色光

4、源氪灯高几万至几千倍,（4）高相干性 由光波场本身的发散角和单色性所决定 相干面积和相干长度都很大,4. 激光表面改性的特点,(1)功率密度大，加热速度快(105-109/s)，加热温度高，基体自然冷却速度高(104/s)，生产效率高； (2)表面强化层组织细，硬度高，质量好，表面光洁无氧化，具有高的强度、韧性、耐磨性、耐蚀性； (3)热影响区小，工件变形小； (4)可以局部加热，无接触加工，周围气氛不受限制；,(5)整个过程易于传输、切换和自动控制； (6)容易加工高熔点、耐热、高硬度材料； (7)金属表面可以熔化、不熔化，加填料或不加填料； (8)无污染，劳动条件好。,5. 常用激光器,按

5、激光器的工作方式： 连续波激光器 脉冲激光器,固体：钇铝石榴石（YAG）固体激光器 横流：表面强化 气体：CO2气体 纵流：焊接、切割 液体 半导体,激光器(介质),激光器,冷水机组,数控加工机床,总控制台,透射聚焦式 反射聚焦式,铜,钼,砷化镓,硒化锌等,两种运动: 机床运动或导光头运动,导光系统和加工机床,二、激光束与材料的相互作用,几个阶段： 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。,功率密度 辐照时间,能量：一部分反射，另一部分吸收 吸收：主要通过大量传导电子的带内跃迁实现 影响因素： 波长，一般波长越短，

6、吸收率越高 温度，温度升高，吸收率增大 自身的特性 深度仅为表面下10-5厘米-表面热源,金属对激光的吸收,激光束与金属作用的类型：,热作用 由于激光光子的吸收而产生的热效应 力作用 高的温度梯度，亚表层产生严重的不均匀应变 激光光子动量作用于物体表面产生的光压作用 光作用,激光表面强化,激光相变硬化（激光淬火） 激光熔凝 激光熔覆 激光合金化 激光非晶化 激光冲击硬化,分类：,三、激光相变硬化 (Transformation hardening, Laser quenching),定义：激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧升温到相变点以上，高温薄层在基底冷却下，进行自冷淬火。,超快加热相变 功

7、率密度：103104W/cm2 加热速度：104106/s 冷却速度：106108/s，自冷淬火,激光淬火研究,原理：,激光表面淬火的原理 概念图 1-激光；2-吸光剂；3-硬化层 加热和冷却 1-激光；2-被加工材料,工艺参数： 功率P、光斑尺寸、扫描速度、黑化预处理,现状： 磷化法 黑漆法 碳素石墨（碳素墨水+石墨粉末）法 SiO2型涂料法,原因：反射率高达8090%,作用：降低激光的热损失,黑化预处理, 生产率高 变形很小，局部表面 过热度大(50200)硬度高、细小隐晶M 无介质、无污染 不接触、光能照到就能淬火 易于自动化,特点：,激光相关标准,碳钢：20、35、40、45、T10、

8、U8、U10、T12 合金结构钢：40Cr、30CrMnSiA、 40CrNiMoA、38CrNi3MoV 合金工具钢：GCr15、9SiCr，9CrWMn、CrWMn，4Cr5MoV1Si、 W302， W6Mo5Cr4V2、 W18Cr4V、 M42、W9Mo3Cr4V、R18、R6M5K5 不锈钢：2Cr13 铸铁：HT200、HT300、QT400-17、QT600-2 硬质合金：YG8、YG20 钛合金：TC4，铝合金：,激光相变硬化已研究的材料,火车缸套,轧辊,激光相变硬化应用,柴油机缸套淬火,激光相变硬化应用,抽油泵筒,激光相变硬化应用,中碳调质钢激光相变硬化,实验材料及方法,试

9、件规格：70mm10mm， 50mm100mm,试件状态：正火、调质,实验设备： 5kW横流CO2激光加工成套设备 光斑尺寸：10mm1mm，功率: 2.1kW 扫描速度：2003200mm/min,清洗、除锈吸光涂料激光相变硬化线切割金相试样,试验过程：,表面形貌 淬硬层深度 截面宏观形貌 显微组织 调质态与正火态对比 搭接量,研究内容,激光硬化区的表面形貌,(a) 200800mm/min,(d) 24003200mm/min,(c) 16002200mm/min,(b) 10001400mm/min,扫描速度对淬硬层深度的影响,激光硬化区的横截面及深度(P=2.1kW),(a) 200m

10、m/min,(d) 800mm/min,(c) 600mm/min,(b) 400mm/min,激光相变区的金相组织,(a) 三区共存(100),(d) 高温回火区(400),(c) 不完全淬硬区(400),(b) 完全淬硬区(400),硬化层的重叠,搭接区的金相组织,抽油杆接箍激光相变硬化,P=2.1kW V=1.51.8m/min 原始495HL 硬化后672HL 提高36%,激光相变硬化应用,激光相变硬化及磨削后的抽油杆接箍,激光相变硬化应用,激光相变硬化柱塞,P=2.1kW，V=1.51.8m/min,激光相变硬化应用,激光加工内孔壁导光系统,满足内径60300mm抽油泵筒、油管内孔壁

11、激光表面强化加工 最大加工长度： 3000mm 通光孔径： 35mm 加工点光斑： 5mm左右 最大加工功率： 3kW,油管内壁激光相变硬化,泵筒表面复合强化,泵筒内表面强化：镀硬铬、渗氮（碳）,可选择的方法： 激光相变硬化 激光相变硬化+镀硬铬 激光相变硬化+渗氮,激光相变硬化及复合改性组织硬度对比,四、激光熔凝 (Laser remelting),定义：将材料表面层用激光快速加热至熔化状态，不增加任何元素，然后自冷快速凝固，改变表层性能的工艺方法。,特点：不添加任何合金元素 天然的冶金结合 较高的硬度、耐磨性和抗蚀性,矩形光斑激光相变硬化不同扫描速度宏观形貌,圆形光斑激光相变硬化不同扫描速

12、度宏观形貌,35CrMo激光熔凝组织 (P=3800W, V=400mm/min),(a),(b),高铬铸钢原始组织,高铬铸钢激光熔凝,高铬铸钢激光熔凝组织,碳钢：35、40、45、T10 合金结构钢：45、40Cr、30CrMnSiA、 40CrNiMoA、38CrNi3MoV 工具钢：Cr12MoV、Cr12、4Cr5MoV1Si, W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2、 AISIT15、R18、R6M5G、Cr15、9SiCr、CrWMn 不锈钢：Cr12、1Cr18Ni9Ti、2Cr13、AISI420、AISI440C 铸铁：HT200、HT300、QT400-15、QT600-2

13、、磷钒铸铁、铬钼铜灰铸铁 硬质合金：YG20、YG40 钛合金：TC4 铝合金：ZL109、2024-T351、Al600 铜合金、镁合金,激光熔凝所研究的材料,轧辊,激光熔凝应用,带钢轧辊,激光熔凝应用,螺纹钢轧辊,激光熔凝应用,带钢轧辊,激光熔凝应用,铸铁轧辊激光熔凝,定义：采用预置涂层或喷吹送粉方法加入涂覆材料，获得与基体为冶金结合的致密覆层，使表面强化。 激光功率：107W/cm2,五、激光熔覆（Laser coating/cladding）,涂覆工艺：,预涂覆激光熔覆 粘结、喷涂、电镀、预置粉末、丝材或板材等，而后用激光熔覆 气相送粉法 用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光熔池内实现熔覆

14、 刮板式重力送粉法 一般将粉末送到熔池前方 同轴送粉法,熔覆材料： Ni基粉末（Ni60, Ni35） Fe基粉末（DL55，DL35，Fe304, Fe302） Co基粉末 Ni基TiC粉末 Ni基WC粉末,不同扫描速度下激光熔覆Ni60涂层宏观形貌(3.5kW),不同扫描速度下激光熔覆铁基粉涂层宏观形貌（P=3.5kW，预置粉末）,45钢激光熔覆铁基粉末显微组织,铁基粉末激光熔覆层显微组织,G314 混合铁基粉末激光熔覆表面裂纹,49.3HRC, 56.5HRC, 53.1HRC,56.1HRC, 54.9HRC, 56.9HRC,铁基激光熔覆粉末,激光熔覆应用,激光熔覆抽油杆接箍,激光熔

15、覆防偏磨活动接箍,激光熔覆抽油管接箍,激光熔覆强化闸环,激光熔覆强化闸板,激光熔覆修复气门,抽油机齿轮轴激光熔覆,激光熔覆抽油泵柱塞,激光熔覆修复和强化压裂泵柱塞,激光熔覆修复和强化压裂泵柱塞,激光熔覆修复和强化三缸泵柱塞,柱塞激光熔覆试验结果,钻杆接头激光熔覆铁基和镍基涂层,动叶修复,激光熔覆应用,烟机齿轮,轮盘齿轮,激光熔覆应用,静叶片修复,激光熔覆应用,齿轮,激光熔覆应用,轴颈,激光熔覆应用,密封套,激光熔覆应用,曲轴熔覆修复,激光熔覆应用,机车厂凸轮轴熔覆修复,激光熔覆应用,六、激光合金化（Laser alloying）,定义：在材料表面加入其他合金成份，在高能激光辐照下，使合金元素和

16、基体同时熔化，使表层形成一层与材料本身具有不同化学成份的新合金层。,1.激光束 2.预置粉末 3.基体 4.热影响区 5.合金化区 6.激光束移动方向 激光表面合金化技术示意图,钢表面合金化氮化钛,激光合金化应用,油管内表面激光合金化,合金化层的微观组织形貌,七、其它激光表面强化技术,(1) 激光非晶化(上釉) (2) 激光冲击硬化 (3) 激光熔渗处理 (4) 激光退火 (5) 激光化学气相沉积(LCVD) (6) 激光物理气相沉积(LPVD),激光表面改性的经济效益和应用 世界各主要发达国家都制定了自己的激光技术发展计划,汽车工业： 汽车发动机气门、气门座、排气阀、阀门座、齿轮箱、活塞环、

17、缸体等。 冶金工业： 各种轧辊、工、模具及轴类零件等 航空工业： 航空发动机涡轮转子、叶片等 国防工业：各种齿轮、炮筒及轴类零件等 轻工：各种齿轮、工、模具及轴类零件等,国内部分已装备大功率激光加工系统的著名大学和科学院所,周围激光加工系统装备情况： 1、胜利油田钻井院 2、济钢、莱钢没有发挥应有作用 3、山东大学 4、淄博万丰激光科技有限公司,石油化工行业应用较少 井下采油机械：油管、抽油泵泵筒 井下钻井机械：涡轮钻具、钻头,9.2 电子束表面改性,电子束传热：通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的，所传递的能量立即以热的形式传予金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。 75%动能转

18、化为热能，能量密度更大 激光加热：被处理金属表面吸收光子能量。18能量直接转化为热能。 电子束加热的深度和尺寸比激光大。,1、原理,高真空电子束热处理机示意图,2、电子束改性的方法,(1)电子束淬火 (2)电子束表面合金化 (3)电子束覆层 (4)电子束非晶化 电子束蒸镀、溅射,能量利用率高 能量透入深度大 激光为表面型热源，电子束为次表面热源。 在真空条件下进行 通过调节聚束透镜的电流对焦，很方便 可通过电流任意控制束流偏转,3、电子束改性的特点,9.3 离子束表面改性,在离子注入机中把各种所需的离子（如N+、C+、O+、Cr+、Ni+、Ti+、Ag+等金属或非金属离子）加速成具有几万甚至百万电子伏特能量的载能束，并