第9章_高能束表面改性技术

第9章高能束表面改性技术激光束、离子束、电子束共同特征：供给材料表面的能量密度≥103W/cm2。功率密度高，作用时间短，易于获得亚稳态组织。非接触式加热，热应力小，工件变形小。可控性好，处理环境清洁，污染小。高能束的特点利用激光束、电子束可获得极高的加热（104-106K/s），和冷却速度（109-1011K/s），从而可制成微晶、非晶及其它一些热平衡相图上不存在的高度过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋予材料表面以特殊的性能。利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层中进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制。采用高能束流进行表面改性主要包括：9.1激光表面改性技术美国机载激光武器已经完成了8次飞行测试3D打印技术激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。激光照射到材料表面被材料吸收变为热能表层材料受热升温固态相变/熔化/蒸发激光作用后材料冷却激光与材料表面的相互作用金属激光强化处理不熔化熔化汽化合金化熔敷相变硬化非晶化晶粒细化冲击硬化激光表面改性技术激光在表面技术领域应用激光在表面技术领域应用作用时间10-4s左右，功率密度在102W/mm2时，作用于金属表面主要产生温升相变：激光相变硬化；作用时间在10-3～1s之间，聚焦功率密度在102～104W/mm2时，金属表面熔化，用于熔凝、焊接、合金化和熔敷。作用时间在10-6s，聚焦功率密度增加到106-109W/mm2时，主要用于激光表面非晶化、冲击硬化。熔化不熔化能量集中，热效应只集中在材料表面很薄的区域内。从0.25μm紫外到10.6μm红外波段，光波在各种金属中的穿透深度只达到10nm数量级对金属表面状况极为敏感材料对激光吸收的基本特点金属对红外激光的吸收率：钢：抛光后，吸收率5.0%，铣削后Ra2.5μm，吸收率18%，喷砂后，35%，600℃氧化2小时，吸收率可达74%。Al:抛光状态，吸收率3.4%，600℃氧化2小时，吸收率可达50%。工件表面黑化处理：涂覆胶体石墨、硫化表面等，吸收率75-83%。E0=E吸收+E反射+E透过E0=E吸收+E反射不透明材料9.1.1激光束表面相变硬化在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。特点：加热速度快（可达105K/s），输入热量少、变形量极小、基本不破坏表面光洁度。冷却速度快（可达109K/s），淬火组织细、工件表面强度比常规淬火提高5-20%。依靠金属自身冷却，无需冷却介质、冷却特性良好。选择性局部表面淬火，硬化层深度、范围可控，可处理内孔、沟槽等复杂形状部位。超快速加热使奥氏体形核率大大增加，奥氏体形成时间极短，晶粒来不及长大，因此奥氏体显著细化（必然带来随后快冷的淬火组织极为细化）。激光固态相变硬化的条状马氏体45号钢激光固态相变硬化激光淬硬时，钢的微观组织中晶体缺陷和晶格畸变远高于普通淬火，从而也显著提高表层硬度。例如45钢，一般淬火，位错密度108条/cm2，激光淬火，位错密度1010~1012条/cm2。位错密度提高2~4个数量级，抵抗塑性变形能力加强，即反映为硬度提高。激光表面淬硬的根本机制是利用了快速加热奥氏体化及快冷的动力学特点，充分发挥了晶粒细化，固溶强化，弥散强化、相变硬化等强化机制的作用。激光相变硬化应用实例激光相变硬化应用实例轮船发动机缸体激光淬火发动机缸体内壁激光相变硬化激光相变硬化应用实例9.1.2激光表面熔凝处理激光熔凝处理后横截面组织示意图T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，获得非常细密的快速凝固非平衡组织。普通碳钢：熔凝处理在结晶过程中，奥氏体从液固界面向表面快速生长，形成定向排列的柱状晶结构，固态相变时奥氏体呈等轴晶结构不同。例45钢激光表面固态淬硬，可达HRC56~58激光快速熔凝强化，可达HRC58~60一类是不发生组织的根本变化，仅仅是快速熔凝造成晶粒结构变化。激光熔凝强化机制45钢激光熔凝层(上)和热影响区(下)另一类快速熔凝处理后，获得了与固态相变硬化完全不同的表层组织，从而根本改变了性能。典型例子是铸铁，铸铁件表层组织全由珠光体+G（石墨）构成，硬度只有HRC20~28；激光熔凝得到白口表层，且莱氏体生长方向指向表面，硬度至少达到HRC50~52，从而显著强化。铸铁的激光熔凝组织制药机械零部件激光熔凝强化挤管模具内表面激光熔凝强化激光熔凝应用实例激光熔凝应用实例50CrMo轧辊经激光熔凝后过钢量提高50%~80%9.1.3激光熔覆将粉末状的金属、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表面，用大功率密度激光束照射使之全部熔化，同时金属基体表面有微量熔融。激光束移开后，表面迅速凝固，形成与金属基体粘的很牢的熔覆层。熔覆材料：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。熔覆工艺：预置式激光熔覆同步式激光熔覆预置式激光熔覆同步式激光熔覆侧向送粉法同轴送粉法同步式激光熔覆工艺方法激光熔覆的优点：冶金结合；加热速度很快，涂层稀释率低；热影响区小，工件变形小；熔敷层晶粒细小，结构致密，耐磨耐蚀性能更好。激光熔敷Ni60激光熔覆与类似方法的比较机械咬合结合力差稀释率高性能差低稀释率冶金结合，质量好热喷涂涂层堆焊涂层激光熔敷涂层激光熔覆涂层及应用激光熔覆合成自润滑耐磨涂层提高耐磨性：提高材料表面的硬度提高表面光洁度采用润滑剂采用Cr3C2提高涂层耐磨性采用WS2作为固体润滑材料，降低摩擦系数。提高抗氧化性-激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层提高生物相容性-激光熔覆原位合成羟基磷灰石（HA）涂层羟基磷灰石Ca10（PO4）6（OH）2具有优良的生物相容性和生物活性，但非常脆，机械性能差。钛合金强度好，但生物相容性和生物活性差。用HA对钛合金表面改性制备方法：TA2钛合金作为基材，CaCO3和CaHPO4·2H2O作为原料。钛合金—50%钛粉+CaCO3/CaHPO4·2H2O—CaCO3/CaHPO4·2H2O采用激光熔敷的方式触发反应原位合成HA4CaCO3+6CaHPO4·2H2O→Ca10（PO4）6（OH）2+4CO2+14H2O熔敷层和过渡层，过渡层和基材结合良好，无明显缺陷。细胞培养实验，钛合金表面细胞呈梭形，聚集在一起，HA表面细胞铺展开来并相互连接，生物相容性好。钛合金主要用来制造高的强度/质量比、耐热和耐腐蚀的零部件，但耐磨性不足。采用激光熔敷制备耐磨耐热涂层及钛合金叶片的修复。激光熔覆术在航空领域的应用磨损后的Ti6Al4V飞机叶片激光熔敷修复模拟计算许多金属零部件长期处于承受重载状态，同时还有严重的腐蚀和磨损现象，导致金属零部件易损害，所以金属零部件需要具有高硬度、高强度、高耐蚀性等各种性能，才能长期应用于恶劣环境。激光熔覆术在石油领域的应用9.1.4激光合金化激光合金化电机轴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。激光合金化的优点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；这种快速熔化、凝固的非平衡过程，可形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒细化，提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析。激光熔覆与激光合金化区别：基体熔化程度不同激光熔覆基体微熔而添加物全熔，基体对表层合金的稀释率小，获得具有原来特性和功能的强化层。激光合金化是将合金元素熔入基体表面，对基体材料进行表面改性。9.1.5激光清洗技术用功率密度很高（108~1011w/cm2）的激光束，在极短的脉冲持续时间内（10-9~10-3s）照射金属表面使表面的污物、颗粒、锈斑等附着物很快气化，从而达到洁净化的工艺过程。干式清洗不损伤基材表面绿色清洗工艺激光纹身清洗油脂清洗9.2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，并注入固体材料的表面层。离子注入将引起材料表层的成分和结构的变化，由此导致表面物理、化学或力学性能发生变化，达到表面改性的目的。离子注入系统的组成离子源磁分析器加速管聚焦和扫描系统工艺腔（靶室）从离子源引出的离子经磁体分析仪选择出需要的离子，然后加速，经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面用电荷积分仪器可精确测量注入离子的数量，调节注入离子的能量可精确控制离子的注入深度。典型应用：半导体的掺杂，掺杂离子的类型、深度、浓度可以精确控制。表面硬度、耐磨性、疲劳强度↑离子注入改性机理固溶强化间隙原子固溶强化，注入层体积膨胀，应力↑，阻止位错运动，硬度，耐磨性↑析出相弥散强化如：注入N、C、B—氮化物、碳化物、硼化物，弥散相，硬度、耐磨性↑位错钉扎大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线的周围，形成柯氏气团，并在位错线上形成许多位错钉扎点，阻止位错运动，改善抗磨性能。提高表面性能的基体材料及注入离子的种类基体材料影响性能注入的离子铝合金腐蚀Mo+硬度N+铍合金腐蚀、硬度B+陶瓷硬度Y+，N+，Zr+，Cr+磨损、韧性O+，N+渗钴碳化钨硬度、磨损N+，Co+钛合金腐蚀N+，C+磨损、硬度N+，C+，B+摩擦Sn+，Ag+疲劳N+，C+9.3电子束表面改性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。在电子枪里，灯丝通电加热后，产生大量的热电子。在阴极和阳极之间的高压电场作用下，热电子加速向阳极方向高速移动，并获得很高的动能。在聚焦线圈的作用下，可使电子束流聚焦。在偏转线圈的作用下，可使电子束发生偏转，从而在一定范围内进行扫描。电子束表面改性的特点（1）在真空中进行，减少了氧化、氮化的影响，可得到纯净、质量很好的表面处理层。（2）电子束加热能量的转换率为80%～90%，能量利用率非常高。（3）电子束淬火时靠金属基体自行冷却淬火介质。（4）由于能量集中、热作用点小，在加热时形成的热应力小，淬火应力小，零件变形小。（5）在进行表面合金化时，能在极短的时间内达到一般渗金属几小时或几十小时效果。电子束改性的方法电子束淬火电子束表面合金化电子束熔覆层制造非晶态层激光的能量穿透深度很小，一般是0.1mm—表面热源电子束的能力能量投入深度较大，一般为10mm—次表面热源思考题激光淬火、激光熔凝、激光熔覆以及激光表面合金化有何相同处和不同处？什么是离子注入？等离子体浸没离子注入的工作原理是什么？