国内外激光和电子束表面改性技术发展

材料表面改性目的和意义材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能，实现新的工程应用。因此，现代材料表面改性一是可以使材料表面获得更好的表面特性，有效地延长零件使用寿命；二是可以用性能较差的合金钢代替优质合金钢，以节省优质合金钢材料；三是可以研制出新颖材料。这种多功能综合化，用于提高材料表面性能的各种现代表面改性技术统称为现代表面改性技术。现代表面改性技术适用于金属及其合金、陶瓷、玻璃、聚合物及半导体材料等多种现代材料。现代材料表面改性技术的发展现代材料表面改性技术是一门由多种学科发展而来的技术组合，其发展经历了很长，很复杂的过程。传统的表面改性技术，如表面热处理、表面渗碳等已有上百年的历史了。上世纪50年代高分子涂装技术有了非常大的发展，由古老的刷涂、空气喷涂发展为静电喷涂、流化床涂装、电泳涂装及静电涂装。60年代以来，传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热。后来，激光器与电子束装置的应用，出现了激光束、电子束的淬火技术。电镀是一门古老的表面改性技术，相当长时间，电镀只能镀覆纯金属模，目前已能镀覆多种合金，也可以在表面上镀陶瓷和金刚石粉末，以增加表面的抗磨性。70年代以来，化学镀有了很大的发展，它已成为一个有效的镀覆手段。近30年来，热喷涂得到了迅速的发展，国内外形成了一种热喷涂技术热，使它在多种工业部门得到了广泛应用，而且发展出多种类型的热喷涂技术。激光束、电子束成功地应用于现代材料表面改性，出现了如激光表面涂敷、激光表面合金化、激光表面淬火、电子束表面淬火、表面镀膜等等多种现代材料表面改性技术。激光表面改性激光束的能量密度非常高，因而当它照射在物体表面时能够产生106~108K/cm非常高的温度梯度，使表面迅速熔化。移去热源时，冷的基体又会使熔化部分以109~1011K/s的速度冷却，使表面迅速凝固。由于激光的这种特性，它可用于材料的激光相变、激光表面合金化与激光熔覆处理，提高材料表面的硬度、抗磨性、抗蚀性。激光束与金属的相互作用1.金属对激光的吸收激光束照射金属时，激光束能量会很快转变为金属晶格的动能，从而使金属表层迅速熔化，激光束部分能量被吸收，部分能量被反射。金属对激光的吸收因金属而异，金属的表面状态对于反射率极为敏感，表面越光滑反射率越高，表面杂质和氧化物会使反射率急剧变化。激光透入金属的深度仅为表面下10-5cm的范围，所以激光对金属的加热可看作是一种表面热源，在表面层光能变为热能，此后，热能按热传导规律向金属深处传导。表6.6给出了某些金属对YAG和CO2激光的反射率。表6.6某些金属对YAG和CO2激光的反射率金属波长0.9~1.1m波长9~11m金属波长0.9~1.1m波长9~11mAu94.797.7Al73.396.9Ag96.499.0W62.395.5Cu90.198.4Sn54.087.0Fe65.093.8Si28.028.0Mo58.294.5钢(1%C)63.192.8~96.02激光器的种类目前工业应用采用的激光器主要有YAG激光器和CO2激光器。YAG激光器是固体激光器，其连续输出功率较小，大多为500W左右，最高可为1kW，其波长为1.06m。CO2激光器是气体激光器，以CO2为工作气体，其连续输出功率要高得多，1~5kW的激光器属于中等功率，5~20kW的激光器属于高功率激光器。CO2激光器的波长为10.6m，电光转换效率可达15%~20%。进行激光表面改性总是希望用高功率激光器。激光产生的基本原理可见图6.9所示。图6.9激光系统示意图3激光照射产生的应力与应变当激光束强度远低于熔化阈值时，由于辐照金属表面中高的温度梯度，在亚表层区会产生严重的不均匀应变。当由此产生的内应力超过弹性极限和屈服应力时，材料会发生塑性变形。用不同的激光功率密度和作用时间（能量密度），可以对金属进行不同的加工。图6.10给出了各种激光加工方法使用的功率密度及时间范围。图6.10各种激光加工方法使用的功率密度及时间范围激光相变硬化1.激光相变硬化的机理激光相变硬化得到超高硬度的机理主要是：由于高的加热和冷却速率使生成的马氏体针更加细化。例如，Cr12中一般淬火的马氏体针长度约6m，而激光淬火后马氏体针长度约2m。2激光相变硬化的特点加热和冷却速率高：加热速率可达105~1090C/s，对应的加热时间为10-3~10-7s，冷却速率可达104~1070C/s。扫描速率越快，冷却速率也越快。高硬度：激光淬火层的硬度比常规淬火层提高15%~20%。变形小：激光淬火表面有很大的残余压应力（可达4000MPa），有利于提高疲劳强度。由于加热层薄，加热激光快，即使很复杂的零件，变形也非常小。表层显微组织：由于激光加热速率极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。因加热时间又很短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小而不均匀。冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。3激光熔化淬火如果提高激光功率，或减小光束直径、减小扫描速率，对金属扫描时，表面薄层被熔化，当光束离开时，由于冷的基体的散热作用，会产生固相相变硬化所类似的冷却作用，使表层可产生一层液体金属的激冷组织，这种硬化技术可称为激光熔化淬火。4激光非晶化激光处理的急剧冷却速率是获得非晶态金属的一个重要手段，它也被称为激光上釉。非晶体合金与对应的晶体相比，强度、韧性和硬度都高，导磁性可与镍铁铝超级导磁合金媲美，电阻为晶体的2~3倍，耐蚀性超过不锈钢，但耐疲劳性不及晶体。这种工艺已成功地用于在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减轻50%。5激光退火激光退火用于半导体材料。6.激光冲击硬化激光冲击硬化是以107W/mm2以上的高功率密度的脉冲激光照射金属表面，使金属表面急剧气化，形成的冲击波反作用于表面使表面硬化。冲击波的力量可达104Pa，从而使表面产生强烈的塑性变形，增加位错的密度，提高材料的强度及疲劳寿命。激光表面合金化与激光熔覆激光表面合金化激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨、防腐等性能。激光表面合金化是指：把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式涂覆到金属基体表面上，通过激光加热使涂覆层与基体表面共熔而混合，形成表面特种合金层。它是通过熔化表面涂覆层A和部分基体B把涂覆层元素可控制地结合入基体B中，液态混合之后将发生快速的再凝固，从而使合金元素被结合到基体表面附近。激光表面熔覆激光表面熔覆是指：在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，控制能量输入参数，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。激光表面熔覆与激光表面合金化的不同在于基体表面层微熔而添加物全熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，可获得具有原来特性和功能的强化层。电子束表面改性电子束表面改性原理电子束照射到材料表面时，入射电子会同材料的原子核及电子发生相互作用，由于入射电子与原子核的质量差别特别大，入射电子与原子核的碰撞基本上是弹性碰撞，因此入射电子能量传递主要是通过与基体的电子碰撞实现的，入射电子通过碰撞，入射电子的能量立即以热能形式传递给了点阵原子，入射电子的能量以极快速度沉积在材料表面层，使材料表面表面层迅速熔化，当电子束离开表面后，基体的热传导使熔化表面很快凝固。用电子束照射时，能量沉积仅依赖于入射能量E，并与靶材原子序数（Z）有关，改变电子束的入射角，沉积能量也会随之改变。电子束辐照与激光辐照的主要区别在于最高温度时的深度和最小熔化层厚度不同。电子束辐照时，熔化层至少几微米厚；电子束能量沉积范围较激光辐照大；电子束辐照时的液相温度较激光辐照时低，因而温度梯度较小，而激光加热温度梯度较高，并能保持较长时间。电子束在真空条件下可以象激光一样用于材料表面改性。电子束表面改性电子束表面改性方法：电子束表面改性方法与激光相类似，电子束表面改性方法包括下列几种：电子束淬火：即利用钢铁材料的马氏体相变进行表面改性。电子束表面合金化：如果提高电子束功率，材料表面会发生熔化，若在熔池中添加合金元素即可以进行电子束合金化。电子束覆层：基材不熔化形成另一种材料的薄层。制造非晶态层：使熔化表面层激冷而获得薄的微晶或非晶态层。电子束改性的特点电子束改性与激光束改性有大致相同的特点，但在下几方面两者又有差异：能量利用率：金属对激光吸收率很低，而对电子束吸收率非常高，甚至可达99%，因此，电子束可获得更高密度的能量沉积。电子束功率可比激光大一个数量级。能量透入深度：激光的能量透入深度很小，一般为0.1m，而电子束的能量透入深度大得多，一般为10m。因此，激光为表面热源，电子束为次表面热源。气氛：激光在大气条件下进行，方便；电子束是在真空条件下进行，工件尺寸受限制，而可防止氧化。对焦：激光的焦点是固定的，对焦必须移动工件；电子束对焦通过调节聚束透镜的电流即可，很方便。束流偏转：激光必须更换反射镜；电子束可通过电流任意控制。设备运转成本：激光要比电子束高10倍。电子束改性的应用：电子束主要用于淬火，淬火件的类型有：V型件，如导轨的底板；空心件，如钢套、转动轴件、阀门密封面、精密齿轮表面、工模具等。