第五章--高能束表面改性

第五章高能束表面改性技术第四章表面形变强化技术表面相变强化：采用激光束、电子束或离子束等对金属零件的表面进行表面淬火，使表面获得快速加热、快速冷却，让金属表面、亚表面形成新的相变区和表面强化区。显微组织变化相变抗疲劳强度耐磨性耐腐蚀性改善优点：表面质量好，可根据不同材质、工件热容量大小、以及激光处理工艺参数的不同，实现硬度、强化层深度可控。第五章高能束表面改性技术高能束技术简介第五章高能束表面改性技术定义：高能束热处理的热源通常是激光束、电子束、离子束三束。他们共同的特征是：高能束发生器输出功率密度至少达到103W/cm2以上的能束，定向作用在金属表面，使其产生物理、化学或相结构转变，从而达到金属表面改性的目的，这种热处理方式称为高能束热处理。第五章高能束表面改性技术当高能束辐射在金属材料表面时，无论是光能（激光束），还是电能（电子束和离子束）均被材料表面吸收，并转化成热能。该热量通过热传导机制在材料表层内扩散，造成相应的温度场，从而导致材料的性能在一定范围内发生变化。原理：高能束对材料表面的改性是通过改变材料表面的成分或结构实现的。成分改变：表面合金化和熔覆结构改变：组织和相的改变第五章高能束表面改性技术（1）热源作用在材料表面上的功率密度高、作用时间极其短暂，加热速度快，处理效率高。（2）加热的面积可根据需要任意选择，大面积可用叠加扫描法。（3）热源属非接触式，且束斑小，热影响区小，变形小。（4）高能束热处理靠工件自身冷却淬火，不需介质。（5）三束直接加热的材料表层深度一般为几微米。高能束的特点：第五章高能束表面改性技术（6）材料表面由表及里产生极高的温度梯度，106~108K/cm,从而导致极高的冷却速度，109~1011K/s。（7）表面产生大量缺陷，特别是离子束，除对材料表面加热外，固体表面受到离子的轰击时，表面原子大量被溅射出来，从而产生缺陷。（8）高能束加热的可控性好，便于自动化处理。（9）高能束热源可远距离传输或通过真空室。第五章高能束表面改性技术三束材料表面改性技术主要包括两个方面：1）利用三束的高能量可获得极高的加热和冷却速度，从而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、热平衡相图上不存在的亚稳合金相，从而赋予材料表面特殊的性能。2）利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层进行合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金热力学条件的限制。因为激光束、电子束、离子束作为一种高能密度热源，作用在金属表面所产生的相变、熔化、气化效应是一致的。因此通常将高能束热处理分为：高能束相变硬化处理高能束熔敷处理高能束合金化高能束非晶化高能束冲击硬化高能束气相沉积第五章高能束表面改性技术种类：第五章高能束表面改性技术能量传递与转换高能束与物质的三种作用类型：热作用、力作用、光作用E0=E反射+E吸收+E透过E吸收为被材料表面吸收的能量E透过为高能束透过材料后的能量式中：E0为入射到材料表面的高能束的能量E反射为被材料表面反射的能量第五章高能束表面改性技术热作用激光光子的能量向固体金属的传输过程就是固体金属对激光光子的吸收过程。激光与金属材料交互作用而产生的加热效应取决于材料对激光光子的吸收。光作用激光与金属材料的交互作用也可以通过光作用而实现，不过这种作用是一种间接的作用。这种作用主要用来制备特殊的非金属材料和无机材料，如金刚石薄膜、类金刚石薄膜等。第五章高能束表面改性技术力作用当激光束强度远低于熔化门槛值时，由于金属表面的温度梯度，在亚表层区会产生严重地不均匀应变。当内应力超过屈服应力时，材料会发生塑性变形。用激光照射金属表面，表面温度的迅速增加会使材料发生膨胀，平行于表面的位移受到周围材料的约束，会产生很大的压应力。如果超过了材料的弹性极限，就会发生塑性变形，使材料挤出自由表面。冷却时，材料发生收缩。如果拉应力超过屈服应力，冷至初始温度就会发生拉伸塑变。第五章高能束表面改性技术5.1激光表面改性激光束照射到材料表面时，与材料间的相互作用根据辐射密度与持续时间分为以下几个阶段：1）激光照射到材料表面；2）激光被材料吸收变为热能；3）表层材料受热升温；4）发生固态转变、熔化甚至蒸发；5）材料在激光作用后冷却。当激光辐射的功率密度与持续时间不变时，上述过程的进展除取决于被处理材料的特性外，还与激光的波长、材料的温度和表面状态等有关。第五章高能束表面改性技术激光表面处理工艺包括：激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术CO2激光器输出功率大，转换效率高，一般为15%~20%。氦-氖气体激光器最早出现的气体激光器，也是目前用得最广泛的典型原子激光器。它以连续放电的方式运转。YAG激光器目前应用最广范的一种固体激光器。波长短。由于激光呈鲜红色，除做其他用途外，也用在大功率CO2装置上，作为校准激光器。激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件第五章高能束表面改性技术激光表面改性不熔化熔化汽化合金化熔覆相变硬化非晶化晶粒细化冲击硬化第五章高能束表面改性技术（1）激光相变硬化：也称激光熔化淬火。是将激光束加热工件表面至熔化到一定深度，然后自冷至熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。激光淬火特点：（1）激光束能量密度高，对工件表面加热快，冷却快、淬硬层马氏体比较细，硬度比常规淬火高5%-20%。（2）仅对工件表层少量金属加热，耗能少，几乎不发生热变形，工件变形极小．可以省去矫直及精磨等工序，便于进行精密件局部表面淬火。（3）能进行内孔或沟槽的侧面及底部的淬火以及复杂工件表面局部淬火，而用其他方法很难解决。（4）由于聚焦光束焦深相当大，可以容许工件表面有相当大的不平度，便于进行花键袖及齿轮的淬火。（5）硬化深度和面积可以精密控制。（6）激光淬火除薄件外一般均可自冷淬硬，不用油、水等淬火剂。（7）工艺简单，淬火时间短，可以将淬火工序安排在流水线内。第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术实例第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术（2）激光非晶化激光非晶化：是利用激光快速加热和快速冷却的特点加热材料表面使其熔化，并以大于一定临界冷却速度急冷至低于某一特定温度，以抑制晶体形核和生长，从而获得非晶材料的技术。激光法制取得非晶合金优点：1）可减少表层成分偏析；2）消除表面缺陷和可能存在的裂纹。（3）激光熔覆（合金化）：以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之与基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。第五章高能束表面改性技术一步法（a）二步法（b）激光熔覆示意图第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术工艺不当时熔覆层间夹渣的组织形貌图第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多，在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等，与上述表面强化技术相比，激光熔覆具有下述优点：（1）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能更为优异。（2）熔覆层稀释率低，由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下，获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材料。（3）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。（4）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。激光熔覆的优点（3）激光熔覆第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术（4）激光冲击硬化：大功率短脉冲激光使材料表面瞬时气化甚至等离子体化，并引起爆炸波和在表面产生冲击波，使材料表面强化的技术。激光雕刻第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术5.2电子束表面改性电子束流和激光束流的产生原理和物理特性不同。电子束是由电子枪阴极灯丝加热发射的电子形成的高能电子流，经聚焦线圈和偏转线圈照射到金属表面，并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。能量传递主要是通过电子束的电子以热能的形式传给金属表层的电子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。由于金属对激光的吸收率很低，而对电子束的吸收可达99%，故电子束功率可比激光大一个数量级，能量深入深度比激光的高两个数量级以上，故激光为表面型热源，而电子束为次表面型热源。第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术电子束表面改性的主要特点有：1)加热和冷却速度快，能量利用率高，为激光加热的9倍。2)与激光相比使用成本低。电子束处理设备一次性投资比激光少,为激光的1/3），其运行成本比激光低一半左右。3)设备简单。4)电子束与金属表面耦合性好，能量利用率高。5)工件不被污染，质量好。6)电子束加热深度和尺寸范围比激光大。电子束加热时熔化层至少几个微米厚，能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎同时熔化。7）电子束可以激发X射线，使用中应注意防护。第五章高能束表面改性技术5.2电子束表面改性第五章高能束表面改性技术5.3离子注入表面改性定义：将所需的金属或非金属元素的离子（N+，C+，Ti+，Cr+等）在电场中加速，获得一定能量后注入固体材料表层中，以改变材料表面的物理、化学或力学性能的一种技术。第五章高能束表面改性技术5.3离子注入表面改性核碰撞：能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。电子碰撞：指的是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的碰撞。注入离子和靶原子周围电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失去能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。瞬时形成电子-空穴对。1963年，LindhardScharffandSchiott首先确定了注入离子在靶内分布理论，简称LSS理论。该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程1）核碰撞（nuclearstopping）2）电子碰撞（electronicstopping）第五章高能束表面改性技术5.3离子注入表面改性优点：（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；（4）注入元素不受固溶度、扩散的限制，可获得过饱和固溶体，化合物和非晶态等非平衡结构的特殊物质，原则上，元素周期表上的任何元素均可注入任何基体材料。（5）离子注入为直进性（横向扩散小），适合集成电路的微细加工。缺点：（1）设备昂贵，成本较高；（2）离子注入层较薄；（3）一般直线进行，绕射性差，不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件。第五章高能束表面改性技术第五章高能束表面改性技术提高耐磨性机理：离子注入能引起表面层组分与结构的改变。大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线周围，形成“柯氏气团”，引起钉扎位错的作用，使表层强化，加上高硬度弥散析出物引起的强化，表明硬度得到提高，进而耐磨性提高。金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别）,形成所谓的“柯氏气团”。这会影响位错在外力作用下的移动---变形抗力会增加。第五章高能束表面改性技术提高抗氧化机理（1）注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道，防止氧化进一步向内扩散。（2）形成致密的氧化物阻挡层。某些氧化物，如Al2O3,Cr2O3,SiO2能形成致密的薄膜，其他元素难以扩散通过这种薄膜，起到了抗氧化的作用。（3）离子注入改善氧化物的塑形，减少氧化产生的应力，防止氧化膜开裂。第五章高能束表面改性技术提高耐腐蚀机理离子注