不銹鋼電子束表面改性的研究(共13頁)

1、 不銹鋼電子束表面(biomin)改性的研究 學校(xuxio)： 專業(yè)：材料(cilio)成型及控制工程 班級： 110208 姓名: 學號： 20110664摘要(zhiyo)：電子束加工利用電子束的熱效應可以對材料進行(jnxng)表面熱處理、焊接、刻蝕、鉆孔、熔煉，或直接使材料升華，是一種完全不同于傳統機械加工的新工藝。利用電子束進行表而熱改性處理是材料表面處理的一種新興技術。本文首先介紹了關于電子束表面改性的原理，發(fā)展，及應用。重點介紹了電子束表面改性技術對不銹鋼的作用。在強流脈沖電子束作用下，316L不銹鋼表面(biomin)因MnS夾雜或界面過熱噴發(fā)而形成火山坑，MnS夾雜物是轟

2、擊過程中形成火山坑的核心.隨著轟擊次數的增加，表層中MnS夾雜物隨噴發(fā)而逐漸減少，實現了材料的表面選擇凈化.與此同時，在反復轟擊過程中，火山坑的密度隨轟擊次數減少，火山坑形態(tài)逐漸由心部有孔轉變?yōu)樾牟繜o孔，表面缺陷得以修復.利用電子顯微鏡觀測形貌及組織結構分析，并進行了顯微硬度及磨損性能測試，結果表明，電子束轟擊處理后試樣的最表層發(fā)生熔化，晶粒明顯細化，表面重熔層厚度最厚處達到了10um左右。試樣次表層幾百微米范困內都存在顯微硬度增加現象，試樣相對耐磨性也分別提高了。關鍵詞：電子束表面改性，不銹鋼，火山坑1.前言電子束加工技術簡介【1】：電子束加工利用電子束的熱效應可以對材料進行表面熱處理、焊接

3、、刻蝕、鉆孔、熔煉，或直接使材料升華，是一種完全不同于傳統機械加工的新工藝。電子束曝光則是一種利用電子束輻射效應的加工方法。作為加熱工具，電子束的特點是功率高和功率密度大，能在瞬間把能量傳給工件，電子束的參數和位置可以精確和迅速地調節(jié)，能用計算機控制并在無污染的真空中進行加工。根據電子束功率密度和電子束與材料作用時間的不同，可以完成各種不同的加工。電子束加工包括焊接、打孔、熱處理、表面加工、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻以及電子束曝光等，其中電子束焊接是發(fā)展最快、應用最廣泛的一種電子束加工技術?！?】電子束加工的特點是功率密度大，能在瞬間將能量傳給工件，而且電子束的能量和位置可以用電磁場精確和

4、迅速地調節(jié)，實現計算機控制。因此，電子束加工技術廣泛應用于制造加工的許多領域，如航空、航天、電子、汽車、核工業(yè)等，是一種重要的加工方法。近年來，隨著電磁場控制技術的發(fā)展，并結合電子束在磁場中易控的特點，開發(fā)了一種新型的電子束加工方法快速掃描電子束加工技術。這種通過電磁場的控制實現電子束的快速偏轉掃描的方法越來越顯出其技術的優(yōu)勢，在航空航天制造領域中獲得了廣泛的應用.3電子束技術是表面工程的一項重要的技術，也是較為先進的一項技術。電子加工技術的應用伴隨(bn su)著真空技術和電子光學技術的發(fā)展而發(fā)展。1905年，MarcelloVonPiran利用電子束成功地熔化(rnghu)了像擔這樣的難熔

5、金屬。4但由于真空技術和電子光學(din z un xu)技術的滯后，該技術沒能得到進一步的研究和應用。由于20世紀20年代中期電子光學和30年代初真空技術得到迅速發(fā)展，電子束加工技術的先決條件基本形成。1938年，由于應用了磁透鏡系統，電子束被聚焦并用來打孔和蒸發(fā)金屬，然而真空技術仍不成熟020世紀50年代由于核工程和航天工程的發(fā)展需要新材料，這就需要新的加工手段咖電子束焊接)滿足其加工要求。1957一1961年期間由于真空系統的完善，電子束技術被成功地用來焊接，從此電子束技術才真正用于工業(yè)生產中，直到1965年，利用電子束進行熔化、焊接和鍍膜物理氣相沉積)的技術才發(fā)展成熟并得到很好的應用。

6、隨著七、八十年代自動控制技術和電子計算機技術的發(fā)展，各種電子束加工技術和設備也迅速發(fā)展起來，圖11為其典型的工作部分示意圖。圖11電子束加工工作部分示意圖1一電子槍;2一真空(zhnkng)閥;3一真空泵系統(xtng);4一光學觀察(gunch)系統;5一工作室;6一工件;7一高壓電源;8一調節(jié)線圈;9-磁透鏡;10一偏轉線圈;11一真空泵系統控制單元;12一操作面板。2.原理電子束加工的基本原理是：在真空中從灼熱的燈絲陰極發(fā)射出的電子，在高電壓(30200千伏)作用下被加速到很高的速度，通過電磁透鏡會聚成一束高功率密度（105109w/cm2）的電子束。當沖擊到工件時，電子束的動能立即轉變

7、成為熱能，產生出極高的溫度，足以使任何材料瞬時熔化、氣化，從而可進行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于電子束和氣體分子碰撞時會產生能量損失和散射，因此，加工一般在真空中進行。電子束加工機由產生電子束的電子槍、控制電子束的聚束線圈、使電子束掃描的偏轉線圈、電源系統和放置工件的真空室，以及觀察裝置等部分組成。先進的電子束加工機采用計算機數控裝置，對加工條件和加工操作進行控制，以實現高精度的自動化加工。電子束加工機的功率根據用途不同而有所不同，一般為幾千瓦至幾十千瓦。按照電子束加工所產生的效應，可以將其分為兩大類：電子束熱效應和電子束化學效應。電子束熱效應是將電子束的動能在材料表面轉化成熱能，以實現

8、對材料的加工。電子由電子槍的陰極發(fā)出，通過聚束極匯聚成電子束，在電子槍的加速電場作用下，電子的速度被提高到接近或達到光速的一半，具有很高的動能。電子束再經過聚焦線圈和偏轉線圈的作用，匯聚成更細的束流。束斑的直徑為數微米至1mm，在特定應用環(huán)境，束斑的直徑甚至可以小到幾十納米，其能量非常集中。電子束的功率密度可高達109W/mm2。當電子束轟擊材料時，電子與金屬碰撞失去動能，大部分能量轉化成熱能，使材料局部區(qū)域溫度急劇上升并且熔化,甚至氣化而被去除，從而實現對材料的加工。電子束化學效應是利用電子束代替常規(guī)的紫外線照射抗蝕劑以實現曝光，其中包括1）掃描電子束曝光，用電子束按所需的圖形，以微機控制進

9、行掃描曝光，其特點是圖形變換的靈活性好，分辨率高；2）投影電子束曝光，這是一種大面積曝光法，由光電陰極產生大面積平行束進行曝光，其特點是效率高，但分辨率較差； 3）軟X射線曝光，軟X射線由電子束產生，是一種間接利用電子束的投影曝光法。3.電子束加工技術(jsh)特點電子束加工(ji gng)的主要優(yōu)點有：（1）電子束能聚焦(jjio)成很小的斑點(直徑一般為0.010.05毫米)，且可控, 以用于精密加工適合于加工微小的圓孔、異形孔或槽；（2）功率密度高，能加工高熔點和難加工材料如鎢、鉬、不銹鋼、金剛石、藍寶石、水晶、玻璃、陶瓷和半導體材料等；（3）無機械接觸作用，無工具損耗問題；（4）加工速

10、度快，如在0.1毫米厚的不銹鋼板上穿微小孔每秒可達3000個，切割1毫米厚的鋼板速度可達240毫米分。（5）設備的使用具有高度靈活性,并可使用同一臺設備進行電子束焊接、表面改善處理和其他電子束加工;（6）電子束加工是在真空狀態(tài)下進行,對環(huán)境幾乎沒有污染;（7）對于各種不同的被處理材料,其效率可高達75%98%,而所需的功率則較低;（8）能量的發(fā)生和供應源可精確地靈活移動,并具有高的加工生產率;（9）可方便地控制能量束,實現加工自動化;其主要缺點有:（1）由于使用高電壓，會產生較強X射線，必須采取相應的安全措施；（2）需要在真空裝置中進行加工；（3）設備造價高等。電子束加工對設備和系統的真空度要

11、求較高,使得電子束加工價格昂貴,一定程度上限制了其在生產中的應用.。由于電子束流具有以上特點,目前已被廣泛地應用于高硬度、易氧化或韌性材料的微細小孔的打孔,復雜形狀的銑切,金屬材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和拋光,以及電子行業(yè)中的微型集成電路和超大規(guī)模集成電路等的精密微細加工中。隨著研究的不斷深入,電子束加工已成為高科技發(fā)展不可缺少的特種加工手段之一。4.電子束加工(ji gng)技術應用電子束加工主要用在以下(yxi)幾個方面上：（1）電子束表面改性，電子束表面改性是利用電子束的加熱和熔化(rnghu)技術對材料進行表面改性。例如電子束表面淬火，電子束表面熔凝，電子束表面合金化，電子

12、束表面熔覆和制造表面非晶態(tài)層。過改性后的材料表面組織結構得到改善，強度和硬度得到大幅提高，耐腐蝕性和防水性也相應地得到增強。（2）電子束物理氣相沉積，電子束物理氣相沉積(EBPVD)是電子束技術與物理氣相沉積技術的有機結合，是利用高能電子轟擊沉積材料，使其迅速升溫氣化而凝聚在基體材料表面的一種表面加工工藝。根據沉積材料的性質，可以使涂層具有優(yōu)良的隔熱、耐磨、耐腐蝕和耐沖刷性能，對基體材料產生一定的保護作用。（3）電子束打孔，電子束打孔用電子束對材料進行打孔加工時，要求電子束的能量密度需大于108Wcm2，每個電子束脈沖打一個孔，脈沖寬度一般只有幾毫秒，脈沖的速率快，打孔的速度可以達到每秒幾個到

13、3000個孔。電子束脈沖的能量高，不受材料硬度的限制，沒有磨損，可以對難熔、高強度和非導電材料進行打孔加工。并且電子束的束斑形狀可控，能加工各種孔，加工效率高，加工材料的適應范圍廣，加工精度高、質量好，無缺陷，一般不需要二次加工。4、電子束焊接，電子束焊接具有焊縫深寬比大，焊接速度快，工件熱變形小，焊縫物理性能好，工藝適應性強等優(yōu)點，并且能改善接頭機械性能減少缺陷，保證焊接穩(wěn)定性和重復性,因而具有極為廣闊的應用前景。5.不銹鋼電子束表面改性目前，一種新興的電子束輻照處理技術強流脈沖電子束(HCPEB)已成為日益受到重視的一項表面改性技術HCPEB中電子攜帶的能量可在極短時間內作用到材料的表面，

14、引發(fā)熔化、汽化、應力波、沖擊波和增強擴散等一系列物理和化學現象，因而可以實現常規(guī)處理方法所無法獲得的非平衡組織結構及性能由于該技術具有簡單、可靠、高效及低耗等特點，因而有著廣泛的工業(yè)應用前景。Proskurovsky等在強流脈沖電子束方面的研究揭示了其潛在的應用前景，主要包括碳鋼與合金鋼的表面強化及表面耐腐蝕、熱防護，快速退火及表面快速合金化等.Pogrebnjak等則主要研究了經電子束改性后材料表面的微結構及性能，指出表層中輻照誘發(fā)的缺陷是金屬材料力學性能得以改善的主要原因.利用強流脈沖電子、模具鋼以及鎂合金等材料進行表面改性的結果表明fs_111，脈沖電子束表面處理可以有效地改變樣品表層的

15、成分分布及顯微組織結構，進而提高材料的硬度、摩擦磨損及腐蝕等表面性能。近年來，脈沖能量束在金屬表面誘發(fā)火山坑的行為備受關注，火山坑被認為是脈沖束流表面處理技術的主要缺點而有待解決?；鹕娇邮窃诟吣苁c金屬表面相互作用的過程中形成的，輻照后基體所發(fā)生的性能變化與它密切相關，因此對火山坑現象的研究無論從理論或技術角度都占有特殊的地位.(ain等在對純鋁和鋼的溫度場摸擬計算基礎上揭示了在脈沖電子束作用下次表層先熔化所導致的表面火山坑形成機制，但并沒有給出其詳細的物理過程尤其是噴發(fā)形成的擇優(yōu)位置.為此，本工作以316L不銹鋼為基體材料，研究了脈沖電子束輻照對不銹鋼表面的形貌及近表層化學成分的影響，探討了

16、其改性過程及機理，對火山坑的成因及數量上的演變規(guī)律做出了合理的解釋.這對脈沖電子束改性技術的進一步應用具有重要的指導意義。.5.1實驗(shyn)方法實驗(shyn)材料為商用AISI316L奧氏體不銹鋼棒，線切割制成直徑(zhjng)為12mm、厚度為2mm的薄片，表面經砂紙打磨并拋光后在丙酮溶液中超聲清洗、吹干備用。.樣品的處理在俄羅斯Nadezhda-2型強流脈沖電子束(HCPEB)系統上完成，該設備可產生低能量(10-40keV)、強電流(102-103A/cm2)、短脈寬(二1acs)、人面積(60mm2)及高重復頻率(0.1Hz)的電子束.在石耀陰極微凸爆炸后，脈沖電子束在陰極和陽

17、極的等離子體中形成.通過調節(jié)加速電壓、磁場強度以及陽極與樣品臺之間的距離控制電子束的能量密度(有關HCPEB的詳細介紹參見文獻陣，本實驗選用的脈沖電子束處理參數如下:加速電壓為27kV，能量密度為3J/cm2,脈寬為1.5,s，脈沖間隔為lOs，轟擊次數分別為5和20次、采用JEOL5600型掃描電鏡(SEM)觀察電子束處理后的樣品表面形貌及截面形貌;利用EPMA-1600型電子探針(EPMA)分析改性前、后樣品表層的成分分布及變化;樣品表面的三維形貌在Newviewer激光三維成像儀上進行觀察。5.2實驗(shyn)結果5.2.1表面(biomin)形貌及成分分析圖la示出經王水(wngsh

18、u)腐蝕后316L不銹鋼原始樣品的SEM表面形貌.從圖可見，其顯微組織由單一的奧氏體相構成，晶粒尺寸為40-60m，圖中的小孔可能來自不銹鋼中部分夾雜物的擇優(yōu)腐蝕.圖1b為原始樣品典l的背散射電子形貌像.從圖可見許多微米級尺寸的黑點，此外整個表面的成分分布基本均勻.通常，奧氏體不銹鋼中的夾雜物為MnS顆粒191，而適量MnS夾雜物的存在可使材料在機械加工時易于切削，但同時也增加了不銹鋼發(fā)生點蝕的幾率ao.為了進一步確認不銹鋼中夾雜物的成分，采用EPMA對樣品表面進行面掃描分析，結果如圖lc所示.在背散像(圖lc左側大圖)中對兩條自線1h帕勺黑色顆粒進行線掃描分析的結果表明，黑點為富Mn和S相.

19、圖lc右側兩小圖分別為S和Mn的面掃描，其對應關系進一步驗證了316L不銹鋼中的黑色夾雜物為MnS顆粒.。經脈沖電子束轟擊后樣品的表面形貌如圖52所示.圖2a為5次轟擊后樣品的低倍SEM形貌.在處理后的樣品表面可以觀察到大量的火山坑，這是金屬在脈沖能址束處理下的典型形貌。整個樣品表面火山坑分布很均勻.圖2b為同一樣品的典型高倍火山坑形貌，由此可以觀察其細節(jié)所在:幾乎所有火山坑的中心都存在一個小孔，同時在火山坑的周圍出現了一些平行的變形帶，這是在電子束處理過程中強應力場所誘發(fā)的塑性變形所致.圖2c,d分別為電子束轟擊20次后樣品的低倍和高倍SEM表面形貌像.與5次轟擊后的樣品相比，其表面更加平整

20、且火山坑的數量也明顯降低，呈現典型火山坑形貌，火山坑較淺且中心沒有小孔.5.2.2火山坑的形成及電子探針分析為研究火山坑的形成機制，亦采用電子探針對處理后的樣品表面進行成分分析.圖53為轟擊5和20次的316L不銹鋼樣品的EPMA結果.圖3a為5次轟擊后樣品的二次電子像，圖3b為相應的背散射像.從圖3a可見樣品表面有許多火山坑;在圖3b中，一些黑點仍然存在1=樣品表面，但與原始態(tài)背散射像(圖1b)相比，黑點的數址已大大減少.對比圖3a,b可見，這些黑點總是位一f火山坑的中心位置.圖3c為高倍率下5次轟擊后樣品的背散射形貌像.可見其中存在2個火山坑，為了確定火山坑中心處黑點的成分，對其做了線性掃

21、描及面成分分析.圖3c中兩條白線間的線性掃描分析結果表明:黑點為富Mn和S相.通過比較Mn和S的面成分分析結果(見圖3c右側兩小圖)進一步確認黑色顆粒為MnS.上述結果表明，在電子束轟擊的過程中，MnS夾雜物是轟擊過程中誘發(fā)火山坑的核心.同理，圖3d為電子束轟擊20次后樣品表面的二次電子像，圖3e為與之對應的背散射像.從圖可見，20次轟擊后樣品表面(圖3d)火山坑的密度比5次處理后的樣品要低得多;同時，從圖3e可見黑點兒乎完全消失.這表明經20次轟擊后樣品表面的夾雜物已基本被清除.圖51316L不銹鋼原始(yunsh)樣品表而的SEM分析(fnx)圖52強流脈沖電子柬轟擊后樣品(yngpn)表

22、面的SEM形貌(xn mo)圖52強流脈沖電子(dinz)柬轟擊后樣品表面的SEM形貌(xn mo)5.3討論(toln)近年來，脈沖能量束在金屬表面誘發(fā)火山坑的行為得到了廣泛研究，已提出多種口f能的形成機制。為了更好地理解316L不銹鋼在強流脈沖電子束轟擊作用下的火山坑的形成機制，利用本課題組自行研發(fā)的軟件，討在本實驗條件下316L不銹鋼的表層的溫度場進行了數值模擬，在加熱過程中出現了與熔點對應的熔化平臺，而表面的溫度最高可達3100Ia，達到該溫度所需時問為0.78s.在冷卻過程中可以清楚地觀察到凝固平臺區(qū).圖6b為圖6a的投彭圖，其中重熔層的計勸一深度為2.28m，達到該深度的時間為1.

23、36its.在凝固過程中，整個熔化層在2.00Eis內即完全凝固，結品前沿的移動速度為1.6-10.Em/s,在最外一表層時其移動速度達到了最大值.恨據以上的計彌結果，316L不銹鋼在脈沖電r束作用下表面火山坑的形成機制可以具體描述如在脈沖電戶束處理前，夾雜物粒廣不均勻地分布d原始樣品中與基體相比，MnS的熱們、散系數較低，脈沖電r柬每轟擊1次，鋼基體中的MnS顆粒及其附近區(qū)域就會從中吸收1次熱里井造成溫度場的不均勻分布，由此可以推斷出以下2種可能的火亢形成機帶小(1)1nS夾雜物的熱傳導性比金屬基體約低1個數壁級而熔點接近ZI1S的熔點約為1803Ii，不銹鋼基體的熔點為1653Ii，因而在

24、快速的升溫過程中，這些夾雜物可能優(yōu)先聚集熱墾而在基體熔化(約為0.5ysIl寸)前就首先熔化甚至汽化分解。不銹鋼作為生物醫(yī)用材6.結束語料在近20年內被廣泛應用在矯形外科植入物、牙種植體和冠狀動脈支架(zhji)等領域。目前醫(yī)用316L不銹鋼在臨床應用中存在的主要問題，指出生物相容性、討腐蝕性和討磨損性有待(yudi)提高和表面改性是改善上述問題的有效途徑。316L醫(yī)用不銹鋼現在(xinzi)的主要制備方法有溶膠凝膠法，化學氣象沉積法，濺射法，離子注入法，離子鍍法等。但是電子束表面改性法有其獨特的優(yōu)勢。電子束熔覆技術理論研究和實際應用取得了一定的進展，但是與激光熔覆技術研究相比還有一定差距，電

25、子束與材料間的禍合作用機制還需進一步深入研究。數值模擬技術是優(yōu)化電子束熔覆工藝的有力乎段，通過對熔覆過程的溫度場、流場及殘余應力場的數值模擬，可以實現對電子束熔覆工藝的準確把握和控制。電子束表面合金化技術成本低、工藝可重復性好、目能夠賦予材料優(yōu)異的表面性能，在未來的發(fā)展中將會成為表面改性研究領域的熱點。參考文獻1劉晉春.特種加工.機械工業(yè)出版社，19972ZouJX,QinY,DongC,WuAM,HaoSZ,WangXG.JVacSciTechnol,2004;22A:5453李金桂現代表面工程的重大進展J材料保護，2000，1，33(1).4徐濱士.表面工程新技術.國防工業(yè)出版社，2002

26、.5張文峰，朱荻電子束加工技術及其在表面工程中的應用J新技術新工藝材料與表面處理，2003(8)6薛群基等.粘結固體潤滑涂層的研究及其應用，材料保護，199940B)7徐濱士等.表面工程的理論與技術.北京:國防工業(yè)出版社，19998陳元芳.電子束加工技術及其應用J.現代制造工程，2009(8).9周志斌，肖沙里，周宴，等現代超精密加工技術的概況及應用J現代制造工程，2005(1)10王瑞剛.陶瓷料漿穩(wěn)定分散進展.材料科學與工程.1999.vo117.Not.P6611RyanMP,WilliamsDE,ChaterRJ.HuttonBMMcPhailDS,Nature,2002;415:77012ZouJX,GrosdidierT,ZhangKM,DongC.ActaMater,2006;54:540913PogrebnjakAD,LadysevVS,PogrebnjakNA,MichaliovAD,ShablyaVT,ValyaevAN,Valy