【優(yōu)質(zhì)課件】高能束表面改性技術(shù)培訓(xùn)課件(-)

第9章高能束表面改性技術(shù)第9章高能束表面改性技術(shù)1激光束、離子束、電子束共同特征：供給材料表面的能量密度≥103W/cm2。功率密度高，作用時(shí)間短，易于獲得亞穩(wěn)態(tài)組織。非接觸式加熱，熱應(yīng)力小，工件變形小?？煽匦院?，處理環(huán)境清潔，污染小。高能束的特點(diǎn)激光束、離子束、電子束功率密度高，作用時(shí)間短，易于獲得亞穩(wěn)態(tài)2利用激光束、電子束可獲得極高的加熱（104-106K/s），和冷卻速度（109-1011K/s），從而可制成微晶、非晶及其它一些熱平衡相圖上不存在的高度過(guò)飽和固溶體和亞穩(wěn)合金，從而賦予材料表面以特殊的性能。利用離子注入技術(shù)可把異類原子直接引入表面層中進(jìn)行表面合金化，引入的原子種類和數(shù)量不受任何常規(guī)合金化熱力學(xué)條件的限制。采用高能束流進(jìn)行表面改性主要包括：利用激光束、電子束可獲得極高的加熱（104-106K/s），39.1激光表面改性技術(shù)美國(guó)機(jī)載激光武器已經(jīng)完成了8次飛行測(cè)試3D打印技術(shù)9.1激光表面改性技術(shù)美國(guó)機(jī)載激光武器已經(jīng)完成了8次飛行測(cè)4激光束表面處理：采用激光對(duì)材料表面進(jìn)行改性的一種表面處理技術(shù)。激光照射到材料表面被材料吸收變?yōu)闊崮鼙韺硬牧鲜軣嵘郎毓虘B(tài)相變/熔化/蒸發(fā)激光作用后材料冷卻激光與材料表面的相互作用激光束表面處理：采用激光對(duì)材料表面進(jìn)行改性的一種表面處理技術(shù)5金屬激光強(qiáng)化處理不熔化熔化汽化合金化熔敷相變硬化非晶化晶粒細(xì)化沖擊硬化激光表面改性技術(shù)激光在表面技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用金屬激光強(qiáng)化處理不熔化熔化汽化合金化熔敷相變硬化非晶化晶粒細(xì)6激光在表面技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用作用時(shí)間10-4s左右，功率密度在102W/mm2時(shí)，作用于金屬表面主要產(chǎn)生溫升相變：激光相變硬化；作用時(shí)間在10-3～1s之間，聚焦功率密度在102～104W/mm2時(shí)，金屬表面熔化，用于熔凝、焊接、合金化和熔敷。作用時(shí)間在<10-6s，聚焦功率密度增加到106-109W/mm2時(shí)，主要用于激光表面非晶化、沖擊硬化。熔化不熔化激光在表面技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用作用時(shí)間10-4s左右，功率密度在107能量集中，熱效應(yīng)只集中在材料表面很薄的區(qū)域內(nèi)。從0.25μm紫外到10.6μm紅外波段，光波在各種金屬中的穿透深度只達(dá)到10nm數(shù)量級(jí)對(duì)金屬表面狀況極為敏感材料對(duì)激光吸收的基本特點(diǎn)金屬對(duì)紅外激光的吸收率：鋼：拋光后，吸收率5.0%，銑削后Ra2.5μm，吸收率18%，噴砂后，35%，600℃氧化2小時(shí)，吸收率可達(dá)74%。Al:拋光狀態(tài)，吸收率3.4%，600℃氧化2小時(shí)，吸收率可達(dá)50%。工件表面黑化處理：涂覆膠體石墨、硫化表面等，吸收率75-83%。E0=E吸收+E反射+E透過(guò)E0=E吸收+E反射不透明材料能量集中，熱效應(yīng)只集中在材料表面很薄的區(qū)域內(nèi)。材料對(duì)激光吸收89.1.1激光束表面相變硬化在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，其表層被迅速加熱到奧氏體溫度以上，并在激光停止輻射后快速淬火得到馬氏體組織的一種工藝。特點(diǎn)：加熱速度快（可達(dá)105K/s），輸入熱量少、變形量極小、基本不破壞表面光潔度。冷卻速度快（可達(dá)109K/s），淬火組織細(xì)、工件表面強(qiáng)度比常規(guī)淬火提高5-20%。依靠金屬自身冷卻，無(wú)需冷卻介質(zhì)、冷卻特性良好。選擇性局部表面淬火，硬化層深度、范圍可控，可處理內(nèi)孔、溝槽等復(fù)雜形狀部位。9.1.1激光束表面相變硬化在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照9超快速加熱使奧氏體形核率大大增加，奧氏體形成時(shí)間極短，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，因此奧氏體顯著細(xì)化（必然帶來(lái)隨后快冷的淬火組織極為細(xì)化）。激光固態(tài)相變硬化的條狀馬氏體45號(hào)鋼激光固態(tài)相變硬化超快速加熱使奧氏體形核率大大增加，奧氏體形成時(shí)間極短，晶粒來(lái)10

激光淬硬時(shí)，鋼的微觀組織中晶體缺陷和晶格畸變遠(yuǎn)高于普通淬火，從而也顯著提高表層硬度。例如45鋼，一般淬火，位錯(cuò)密度108條/cm2，激光淬火，位錯(cuò)密度1010~1012條/cm2。位錯(cuò)密度提高2~4個(gè)數(shù)量級(jí)，抵抗塑性變形能力加強(qiáng)，即反映為硬度提高。激光表面淬硬的根本機(jī)制是利用了快速加熱奧氏體化及快冷的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，充分發(fā)揮了晶粒細(xì)化，固溶強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化、相變硬化等強(qiáng)化機(jī)制的作用。激光淬硬時(shí)，鋼的微觀組織中晶體缺陷和晶格畸變遠(yuǎn)高于普通淬火11激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例12【優(yōu)質(zhì)課件】高能束表面改性技術(shù)培訓(xùn)課件(-)13激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例14輪船發(fā)動(dòng)機(jī)缸體激光淬火輪船發(fā)動(dòng)機(jī)缸體激光淬火15發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁激光相變硬化激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁激光相變硬化激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例169.1.2激光表面熔凝處理激光熔凝處理后橫截面組織示意圖T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續(xù)掃描，使之迅速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使熔池中的金屬液以極高的速度冷卻、凝固，獲得非常細(xì)密的快速凝固非平衡組織。9.1.2激光表面熔凝處理激光熔凝處理后橫截面組織示意圖T117普通碳鋼：熔凝處理在結(jié)晶過(guò)程中，奧氏體從液固界面向表面快速生長(zhǎng)，形成定向排列的柱狀晶結(jié)構(gòu)，固態(tài)相變時(shí)奧氏體呈等軸晶結(jié)構(gòu)不同。

例45鋼激光表面固態(tài)淬硬，可達(dá)HRC56~58

激光快速熔凝強(qiáng)化，可達(dá)HRC58~60一類是不發(fā)生組織的根本變化，僅僅是快速熔凝造成晶粒結(jié)構(gòu)變化。激光熔凝強(qiáng)化機(jī)制45鋼激光熔凝層(上)和熱影響區(qū)(下)普通碳鋼：熔凝處理在結(jié)晶過(guò)程中，奧氏體從液固界面向表面快速生18另一類快速熔凝處理后，獲得了與固態(tài)相變硬化完全不同的表層組織，從而根本改變了性能。典型例子是鑄鐵，鑄鐵件表層組織全由珠光體+G（石墨）構(gòu)成，硬度只有HRC20~28；激光熔凝得到白口表層，且萊氏體生長(zhǎng)方向指向表面，硬度至少達(dá)到HRC50~52，從而顯著強(qiáng)化。鑄鐵的激光熔凝組織另一類快速熔凝處理后，獲得了與固態(tài)相變硬化完全不同的表層組織19制藥機(jī)械零部件激光熔凝強(qiáng)化擠管模具內(nèi)表面激光熔凝強(qiáng)化激光熔凝應(yīng)用實(shí)例制藥機(jī)械零部件激光熔凝強(qiáng)化擠管模具內(nèi)表面激光熔凝強(qiáng)化激光熔凝20激光熔凝應(yīng)用實(shí)例50CrMo軋輥經(jīng)激光熔凝后過(guò)鋼量提高50%~80%激光熔凝應(yīng)用實(shí)例50CrMo軋輥經(jīng)激光熔凝后過(guò)鋼量提高50%219.1.3激光熔覆將粉末狀的金屬、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，同時(shí)金屬基體表面有微量熔融。激光束移開(kāi)后，表面迅速凝固，形成與金屬基體粘的很牢的熔覆層。9.1.3激光熔覆將粉末狀的金屬、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表22熔覆材料：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料。熔覆工藝：預(yù)置式激光熔覆

同步式激光熔覆預(yù)置式激光熔覆

同步式激光熔覆熔覆材料：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料。預(yù)置式激光熔23側(cè)向送粉法同軸送粉法同步式激光熔覆工藝方法側(cè)向送粉法同軸送粉法24激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)：冶金結(jié)合；加熱速度很快，涂層稀釋率低；熱影響區(qū)小，工件變形小；熔敷層晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)致密，耐磨耐蝕性能更好。激光熔敷Ni60激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)：激光熔敷Ni6025激光熔覆與類似方法的比較機(jī)械咬合結(jié)合力差稀釋率高性能差低稀釋率冶金結(jié)合，質(zhì)量好熱噴涂涂層堆焊涂層激光熔敷涂層激光熔覆與類似方法的比較機(jī)械咬合稀釋率高低稀釋率熱噴涂涂層堆26激光熔覆涂層及應(yīng)用激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層提高耐磨性：提高材料表面的硬度提高表面光潔度采用潤(rùn)滑劑采用Cr3C2提高涂層耐磨性采用WS2作為固體潤(rùn)滑材料，降低摩擦系數(shù)。激光熔覆涂層及應(yīng)用激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層提高耐磨性：采用27提高抗氧化性-激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂層提高抗氧化性-激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂層28提高生物相容性-激光熔覆原位合成羥基磷灰石（HA）涂層羥基磷灰石Ca10（PO4）6（OH）2具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性，但非常脆，機(jī)械性能差。鈦合金強(qiáng)度好，但生物相容性和生物活性差。用HA對(duì)鈦合金表面改性制備方法：TA2鈦合金作為基材，CaCO3和CaHPO4·2H2O作為原料。鈦合金—50%鈦粉+CaCO3/CaHPO4·2H2O—CaCO3/CaHPO4·2H2O采用激光熔敷的方式觸發(fā)反應(yīng)原位合成HA4CaCO3+6CaHPO4·2H2O→Ca10（PO4）6（OH）2+4CO2+14H2O提高生物相容性-激光熔覆原位合成羥基磷灰石（HA）涂層羥基磷29熔敷層和過(guò)渡層，過(guò)渡層和基材結(jié)合良好，無(wú)明顯缺陷。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，鈦合金表面細(xì)胞呈梭形，聚集在一起，HA表面細(xì)胞鋪展開(kāi)來(lái)并相互連接，生物相容性好。熔敷層和過(guò)渡層，過(guò)渡層和基材結(jié)合良好，無(wú)明顯缺陷。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)30鈦合金主要用來(lái)制造高的強(qiáng)度/質(zhì)量比、耐熱和耐腐蝕的零部件，但耐磨性不足。采用激光熔敷制備耐磨耐熱涂層及鈦合金葉片的修復(fù)。激光熔覆術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用磨損后的Ti6Al4V飛機(jī)葉片激光熔敷修復(fù)模擬計(jì)算鈦合金主要用來(lái)制造高的強(qiáng)度/質(zhì)量比、耐熱和耐腐蝕的零部件，但31許多金屬零部件長(zhǎng)期處于承受重載狀態(tài)，同時(shí)還有嚴(yán)重的腐蝕和磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬零部件易損害，所以金屬零部件需要具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐蝕性等各種性能，才能長(zhǎng)期應(yīng)用于惡劣環(huán)境。激光熔覆術(shù)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用許多金屬零部件長(zhǎng)期處于承受重載狀態(tài)，同時(shí)還有嚴(yán)重的腐蝕和磨損329.1.4激光合金化

激光合金化電機(jī)軸利用激光束將一種或多種合金元素快速熔入基體表面，從而使基體表層具有特定的合金成分的技術(shù)。9.1.4激光合金化激光合金化電機(jī)軸利用激光束將一種或多33激光合金化的優(yōu)點(diǎn)利用激光的深聚焦，在不規(guī)則的零件上可得到均勻的合金化深度；能準(zhǔn)確地控制功率密度和控制加熱深度，從而減小變形；這種快速熔化、凝固的非平衡過(guò)程，可形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒細(xì)化，提高合金元素的固溶度和改善鑄造零件的成分偏析。激光熔覆與激光合金化區(qū)別：基體熔化程度不同激光熔覆基體微熔而添加物全熔，基體對(duì)表層合金的稀釋率小，獲得具有原來(lái)特性和功能的強(qiáng)化層。激光合金化是將合金元素熔入基體表面，對(duì)基體材料進(jìn)行表面改性。激光合金化的優(yōu)點(diǎn)激光熔覆與激光合金化區(qū)別：基體熔化程度不同349.1.5激光清洗技術(shù)用功率密度很高（108~1011w/cm2）的激光束，在極短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)（10-9~10-3s）照射金屬表面使表面的污物、顆粒、銹斑等附著物很快氣化，從而達(dá)到潔凈化的工藝過(guò)程。干式清洗不損傷基材表面綠色清洗工藝9.1.5激光清洗技術(shù)干式清洗不損傷基材表面綠色清洗工藝35激光紋身清洗激光紋身清洗36油脂清洗油脂清洗379.2離子束表面改性在離子注入機(jī)中把各種所需的離子（如N+、C+、O+、Cr+、Ni+、Ti+、Ag+等金屬或非金屬離子）加速成具有幾萬(wàn)甚至百萬(wàn)電子伏特能量的載能束，并注入固體材料的表面層。離子注入將引起材料表層的成分和結(jié)構(gòu)的變化，由此導(dǎo)致表面物理、化學(xué)或力學(xué)性能發(fā)生變化，達(dá)到表面改性的目的。9.2離子束表面改性在離子注入機(jī)中把各種所需的離子（如N+38離子注入系統(tǒng)的組成離子源磁分析器加速管聚焦和掃描系統(tǒng)工藝腔（靶室）從離子源引出的離子經(jīng)磁體分析儀選擇出需要的離子，然后加速，經(jīng)過(guò)兩維偏轉(zhuǎn)掃描器使離子束均勻的注入到材料表面用電荷積分儀器可精確測(cè)量注入離子的數(shù)量，調(diào)節(jié)注入離子的能量可精確控制離子的注入深度。離子注入系統(tǒng)的組成離子源從離子源引出的離子經(jīng)磁體分析儀選擇出39【優(yōu)質(zhì)課件】高能束表面改性技術(shù)培訓(xùn)課件(-)40典型應(yīng)用：半導(dǎo)體的摻雜，摻雜離子的類型、深度、濃度可以精確控制。典型應(yīng)用：半導(dǎo)體的摻雜，摻雜離子的類型、深度、濃度可以精確控41表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度↑離子注入改性機(jī)理

固溶強(qiáng)化間隙原子固溶強(qiáng)化，注入層體積膨脹，應(yīng)力↑，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，硬度，耐磨性↑

析出相彌散強(qiáng)化如：注入N、C、B—氮化物、碳化物、硼化物，彌散相，硬度、耐磨性↑

位錯(cuò)釘扎大量的注入雜質(zhì)聚集在因離子轟擊產(chǎn)生的位錯(cuò)線的周圍，形成柯氏氣團(tuán)，并在位錯(cuò)線上形成許多位錯(cuò)釘扎點(diǎn)，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，改善抗磨性能。表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度↑離子注入改性機(jī)理固溶強(qiáng)化析出42提高表面性能的基體材料及注入離子的種類基體材料影響性能注入的離子鋁合金腐蝕Mo+硬度N+鈹合金腐蝕、硬度B+陶瓷硬度Y+，N+，Zr+，Cr+磨損、韌性O(shè)+，N+滲鈷碳化鎢硬度、磨損N+，Co+鈦合金腐蝕N+，C+磨損、硬度N+，C+，B+摩擦Sn+，Ag+疲勞N+，C+提高表面性能的基體材料及注入離子的種類基體材料影響性能注入的439.3電子束表面改性電子束表面改性原理當(dāng)高速電子束照射到金屬表面時(shí)，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。在電子槍里，燈絲通電加熱后，產(chǎn)生大量的熱電子。在陰極和陽(yáng)極之間的高壓電場(chǎng)作用下，熱電子加速向陽(yáng)極方向高速移動(dòng)，并獲得很高的動(dòng)能。在聚焦線圈的作用下，可使電子束流聚焦。在偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，可使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在一定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。9.3電子束表面改性電子束表面改性原理在電子槍里，燈絲通44電子束表面改性的特點(diǎn)（1）在真空中進(jìn)行，減少了氧化、氮化的影響，可得到純凈、質(zhì)量很好的表面處理層。（2）電子束加熱能量的轉(zhuǎn)換率為80%～90%，能量利用率非常高。（3）電子束淬火時(shí)靠金屬基體自行冷卻淬火介質(zhì)。（4）由于能量集中、熱作用點(diǎn)小，在加熱時(shí)形成的熱應(yīng)力小，淬火應(yīng)力小，零件變形小。（5）在進(jìn)行表面合金化時(shí)，能在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一般滲金屬幾小時(shí)或幾十小時(shí)效果。電子束表面改性的特點(diǎn)45電子束改性的方法電子束淬火

電子束表面合金化電子束熔覆層制造非晶態(tài)層

激光的能量穿透深度很小，一般是0.1mm—表面熱源電子束的能力能量投入深度較大，一般為10mm—次表面熱源電子束改性的方法激光的能量穿透深度很小，一般是0.1mm—46思考題激光淬火、激光熔凝、激光熔覆以及激光表面合金化有何相同處和不同處？什么是離子注入？等離子體浸沒(méi)離子注入的工作原理是什么？思考題激光淬火、激光熔凝、激光熔覆以及激光表面合金化有何相同47

49、不要輕易用過(guò)去來(lái)衡量生活的幸與不幸！每個(gè)人的生命都是可以綻放美麗的，只要你珍惜。

50、給自己定目標(biāo)，一年，兩年，五年，也許你出生不如別人好，通過(guò)努力，往往可以改變%的命運(yùn)。破罐子破摔只能和懦弱做朋友。

51、當(dāng)眼淚流盡的時(shí)候，留下的應(yīng)該是堅(jiān)強(qiáng)。

52、上天完全是為了堅(jiān)強(qiáng)你的意志，才在道路上設(shè)下重重的障礙。

53、沒(méi)有播種，何來(lái)收獲；沒(méi)有辛苦，何來(lái)成功；沒(méi)有磨難，何來(lái)榮耀；沒(méi)有挫折，何來(lái)輝煌。

54、只要路是對(duì)的，就不怕路遠(yuǎn)。

55、生命對(duì)某些人來(lái)說(shuō)是美麗的，這些人的一生都為某個(gè)目標(biāo)而奮斗。

56、浪花總是著揚(yáng)帆者的路開(kāi)放的。

74、失敗是什么？沒(méi)有什么，只是更走近成功一步；成功是什么？就是走過(guò)了所有通向失敗的路，只剩下一條路，那就是成功的路。

75、要改變命運(yùn)，首先改變自己。

76、我們?nèi)粢呀邮茏顗牡?，就再?zèng)]有什么損失。

77、在生活中，我跌倒過(guò)。我在嘲笑聲中站起來(lái)，雖然衣服臟了，但那是暫時(shí)的，它可以洗凈。

78、沒(méi)有壓力的生活就會(huì)空虛；沒(méi)有壓力的青春就會(huì)枯萎；沒(méi)有壓力的生命就會(huì)黯淡。

79、人生就像一杯沒(méi)有加糖的咖啡，喝起來(lái)是苦澀的，回味起來(lái)卻有久久不會(huì)退去的余香。

80、最困難的時(shí)候，就是距離成功不遠(yuǎn)了。

81、知道自己要干什么，夜深人靜，問(wèn)問(wèn)自己，將來(lái)的打算，并朝著那個(gè)方向去實(shí)現(xiàn)。而不是無(wú)所事事和做一些無(wú)謂的事。

82、出路出路，走出去了，總是會(huì)有路的。困難苦難，困在家里就是難。

83、人生最大的喜悅是每個(gè)人都說(shuō)你做不到，你卻完成它了！

84、勇士搏出驚濤駭流而不沉淪，懦夫在風(fēng)平浪靜也會(huì)溺水。

85、生活不是林黛玉，不會(huì)因?yàn)閼n傷而風(fēng)情萬(wàn)種。

86、唯有行動(dòng)才能改造命運(yùn)。

87、即使行動(dòng)導(dǎo)致錯(cuò)誤，卻也帶來(lái)了學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)；不行動(dòng)則是停滯與萎縮。

88、光說(shuō)不干，事事落空；又說(shuō)又干，馬到成功。

【優(yōu)質(zhì)課件】高能束表面改性技術(shù)培訓(xùn)課件(-)48第9章高能束表面改性技術(shù)第9章高能束表面改性技術(shù)49激光束、離子束、電子束共同特征：供給材料表面的能量密度≥103W/cm2。功率密度高，作用時(shí)間短，易于獲得亞穩(wěn)態(tài)組織。非接觸式加熱，熱應(yīng)力小，工件變形小。可控性好，處理環(huán)境清潔，污染小。高能束的特點(diǎn)激光束、離子束、電子束功率密度高，作用時(shí)間短，易于獲得亞穩(wěn)態(tài)50利用激光束、電子束可獲得極高的加熱（104-106K/s），和冷卻速度（109-1011K/s），從而可制成微晶、非晶及其它一些熱平衡相圖上不存在的高度過(guò)飽和固溶體和亞穩(wěn)合金，從而賦予材料表面以特殊的性能。利用離子注入技術(shù)可把異類原子直接引入表面層中進(jìn)行表面合金化，引入的原子種類和數(shù)量不受任何常規(guī)合金化熱力學(xué)條件的限制。采用高能束流進(jìn)行表面改性主要包括：利用激光束、電子束可獲得極高的加熱（104-106K/s），519.1激光表面改性技術(shù)美國(guó)機(jī)載激光武器已經(jīng)完成了8次飛行測(cè)試3D打印技術(shù)9.1激光表面改性技術(shù)美國(guó)機(jī)載激光武器已經(jīng)完成了8次飛行測(cè)52激光束表面處理：采用激光對(duì)材料表面進(jìn)行改性的一種表面處理技術(shù)。激光照射到材料表面被材料吸收變?yōu)闊崮鼙韺硬牧鲜軣嵘郎毓虘B(tài)相變/熔化/蒸發(fā)激光作用后材料冷卻激光與材料表面的相互作用激光束表面處理：采用激光對(duì)材料表面進(jìn)行改性的一種表面處理技術(shù)53金屬激光強(qiáng)化處理不熔化熔化汽化合金化熔敷相變硬化非晶化晶粒細(xì)化沖擊硬化激光表面改性技術(shù)激光在表面技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用金屬激光強(qiáng)化處理不熔化熔化汽化合金化熔敷相變硬化非晶化晶粒細(xì)54激光在表面技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用作用時(shí)間10-4s左右，功率密度在102W/mm2時(shí)，作用于金屬表面主要產(chǎn)生溫升相變：激光相變硬化；作用時(shí)間在10-3～1s之間，聚焦功率密度在102～104W/mm2時(shí)，金屬表面熔化，用于熔凝、焊接、合金化和熔敷。作用時(shí)間在<10-6s，聚焦功率密度增加到106-109W/mm2時(shí)，主要用于激光表面非晶化、沖擊硬化。熔化不熔化激光在表面技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用作用時(shí)間10-4s左右，功率密度在1055能量集中，熱效應(yīng)只集中在材料表面很薄的區(qū)域內(nèi)。從0.25μm紫外到10.6μm紅外波段，光波在各種金屬中的穿透深度只達(dá)到10nm數(shù)量級(jí)對(duì)金屬表面狀況極為敏感材料對(duì)激光吸收的基本特點(diǎn)金屬對(duì)紅外激光的吸收率：鋼：拋光后，吸收率5.0%，銑削后Ra2.5μm，吸收率18%，噴砂后，35%，600℃氧化2小時(shí)，吸收率可達(dá)74%。Al:拋光狀態(tài)，吸收率3.4%，600℃氧化2小時(shí)，吸收率可達(dá)50%。工件表面黑化處理：涂覆膠體石墨、硫化表面等，吸收率75-83%。E0=E吸收+E反射+E透過(guò)E0=E吸收+E反射不透明材料能量集中，熱效應(yīng)只集中在材料表面很薄的區(qū)域內(nèi)。材料對(duì)激光吸收569.1.1激光束表面相變硬化在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，其表層被迅速加熱到奧氏體溫度以上，并在激光停止輻射后快速淬火得到馬氏體組織的一種工藝。特點(diǎn)：加熱速度快（可達(dá)105K/s），輸入熱量少、變形量極小、基本不破壞表面光潔度。冷卻速度快（可達(dá)109K/s），淬火組織細(xì)、工件表面強(qiáng)度比常規(guī)淬火提高5-20%。依靠金屬自身冷卻，無(wú)需冷卻介質(zhì)、冷卻特性良好。選擇性局部表面淬火，硬化層深度、范圍可控，可處理內(nèi)孔、溝槽等復(fù)雜形狀部位。9.1.1激光束表面相變硬化在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照57超快速加熱使奧氏體形核率大大增加，奧氏體形成時(shí)間極短，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，因此奧氏體顯著細(xì)化（必然帶來(lái)隨后快冷的淬火組織極為細(xì)化）。激光固態(tài)相變硬化的條狀馬氏體45號(hào)鋼激光固態(tài)相變硬化超快速加熱使奧氏體形核率大大增加，奧氏體形成時(shí)間極短，晶粒來(lái)58

激光淬硬時(shí)，鋼的微觀組織中晶體缺陷和晶格畸變遠(yuǎn)高于普通淬火，從而也顯著提高表層硬度。例如45鋼，一般淬火，位錯(cuò)密度108條/cm2，激光淬火，位錯(cuò)密度1010~1012條/cm2。位錯(cuò)密度提高2~4個(gè)數(shù)量級(jí)，抵抗塑性變形能力加強(qiáng)，即反映為硬度提高。激光表面淬硬的根本機(jī)制是利用了快速加熱奧氏體化及快冷的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，充分發(fā)揮了晶粒細(xì)化，固溶強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化、相變硬化等強(qiáng)化機(jī)制的作用。激光淬硬時(shí)，鋼的微觀組織中晶體缺陷和晶格畸變遠(yuǎn)高于普通淬火59激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例60【優(yōu)質(zhì)課件】高能束表面改性技術(shù)培訓(xùn)課件(-)61激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例62輪船發(fā)動(dòng)機(jī)缸體激光淬火輪船發(fā)動(dòng)機(jī)缸體激光淬火63發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁激光相變硬化激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁激光相變硬化激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例649.1.2激光表面熔凝處理激光熔凝處理后橫截面組織示意圖T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續(xù)掃描，使之迅速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使熔池中的金屬液以極高的速度冷卻、凝固，獲得非常細(xì)密的快速凝固非平衡組織。9.1.2激光表面熔凝處理激光熔凝處理后橫截面組織示意圖T165普通碳鋼：熔凝處理在結(jié)晶過(guò)程中，奧氏體從液固界面向表面快速生長(zhǎng)，形成定向排列的柱狀晶結(jié)構(gòu)，固態(tài)相變時(shí)奧氏體呈等軸晶結(jié)構(gòu)不同。

例45鋼激光表面固態(tài)淬硬，可達(dá)HRC56~58

激光快速熔凝強(qiáng)化，可達(dá)HRC58~60一類是不發(fā)生組織的根本變化，僅僅是快速熔凝造成晶粒結(jié)構(gòu)變化。激光熔凝強(qiáng)化機(jī)制45鋼激光熔凝層(上)和熱影響區(qū)(下)普通碳鋼：熔凝處理在結(jié)晶過(guò)程中，奧氏體從液固界面向表面快速生66另一類快速熔凝處理后，獲得了與固態(tài)相變硬化完全不同的表層組織，從而根本改變了性能。典型例子是鑄鐵，鑄鐵件表層組織全由珠光體+G（石墨）構(gòu)成，硬度只有HRC20~28；激光熔凝得到白口表層，且萊氏體生長(zhǎng)方向指向表面，硬度至少達(dá)到HRC50~52，從而顯著強(qiáng)化。鑄鐵的激光熔凝組織另一類快速熔凝處理后，獲得了與固態(tài)相變硬化完全不同的表層組織67制藥機(jī)械零部件激光熔凝強(qiáng)化擠管模具內(nèi)表面激光熔凝強(qiáng)化激光熔凝應(yīng)用實(shí)例制藥機(jī)械零部件激光熔凝強(qiáng)化擠管模具內(nèi)表面激光熔凝強(qiáng)化激光熔凝68激光熔凝應(yīng)用實(shí)例50CrMo軋輥經(jīng)激光熔凝后過(guò)鋼量提高50%~80%激光熔凝應(yīng)用實(shí)例50CrMo軋輥經(jīng)激光熔凝后過(guò)鋼量提高50%699.1.3激光熔覆將粉末狀的金屬、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，同時(shí)金屬基體表面有微量熔融。激光束移開(kāi)后，表面迅速凝固，形成與金屬基體粘的很牢的熔覆層。9.1.3激光熔覆將粉末狀的金屬、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表70熔覆材料：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料。熔覆工藝：預(yù)置式激光熔覆

同步式激光熔覆預(yù)置式激光熔覆

同步式激光熔覆熔覆材料：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料。預(yù)置式激光熔71側(cè)向送粉法同軸送粉法同步式激光熔覆工藝方法側(cè)向送粉法同軸送粉法72激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)：冶金結(jié)合；加熱速度很快，涂層稀釋率低；熱影響區(qū)小，工件變形??；熔敷層晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)致密，耐磨耐蝕性能更好。激光熔敷Ni60激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)：激光熔敷Ni6073激光熔覆與類似方法的比較機(jī)械咬合結(jié)合力差稀釋率高性能差低稀釋率冶金結(jié)合，質(zhì)量好熱噴涂涂層堆焊涂層激光熔敷涂層激光熔覆與類似方法的比較機(jī)械咬合稀釋率高低稀釋率熱噴涂涂層堆74激光熔覆涂層及應(yīng)用激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層提高耐磨性：提高材料表面的硬度提高表面光潔度采用潤(rùn)滑劑采用Cr3C2提高涂層耐磨性采用WS2作為固體潤(rùn)滑材料，降低摩擦系數(shù)。激光熔覆涂層及應(yīng)用激光熔覆合成自潤(rùn)滑耐磨涂層提高耐磨性：采用75提高抗氧化性-激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂層提高抗氧化性-激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂層76提高生物相容性-激光熔覆原位合成羥基磷灰石（HA）涂層羥基磷灰石Ca10（PO4）6（OH）2具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性，但非常脆，機(jī)械性能差。鈦合金強(qiáng)度好，但生物相容性和生物活性差。用HA對(duì)鈦合金表面改性制備方法：TA2鈦合金作為基材，CaCO3和CaHPO4·2H2O作為原料。鈦合金—50%鈦粉+CaCO3/CaHPO4·2H2O—CaCO3/CaHPO4·2H2O采用激光熔敷的方式觸發(fā)反應(yīng)原位合成HA4CaCO3+6CaHPO4·2H2O→Ca10（PO4）6（OH）2+4CO2+14H2O提高生物相容性-激光熔覆原位合成羥基磷灰石（HA）涂層羥基磷77熔敷層和過(guò)渡層，過(guò)渡層和基材結(jié)合良好，無(wú)明顯缺陷。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，鈦合金表面細(xì)胞呈梭形，聚集在一起，HA表面細(xì)胞鋪展開(kāi)來(lái)并相互連接，生物相容性好。熔敷層和過(guò)渡層，過(guò)渡層和基材結(jié)合良好，無(wú)明顯缺陷。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)78鈦合金主要用來(lái)制造高的強(qiáng)度/質(zhì)量比、耐熱和耐腐蝕的零部件，但耐磨性不足。采用激光熔敷制備耐磨耐熱涂層及鈦合金葉片的修復(fù)。激光熔覆術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用磨損后的Ti6Al4V飛機(jī)葉片激光熔敷修復(fù)模擬計(jì)算鈦合金主要用來(lái)制造高的強(qiáng)度/質(zhì)量比、耐熱和耐腐蝕的零部件，但79許多金屬零部件長(zhǎng)期處于承受重載狀態(tài)，同時(shí)還有嚴(yán)重的腐蝕和磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬零部件易損害，所以金屬零部件需要具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐蝕性等各種性能，才能長(zhǎng)期應(yīng)用于惡劣環(huán)境。激光熔覆術(shù)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用許多金屬零部件長(zhǎng)期處于承受重載狀態(tài)，同時(shí)還有嚴(yán)重的腐蝕和磨損809.1.4激光合金化

激光合金化電機(jī)軸利用激光束將一種或多種合金元素快速熔入基體表面，從而使基體表層具有特定的合金成分的技術(shù)。9.1.4激光合金化激光合金化電機(jī)軸利用激光束將一種或多81激光合金化的優(yōu)點(diǎn)利用激光的深聚焦，在不規(guī)則的零件上可得到均勻的合金化深度；能準(zhǔn)確地控制功率密度和控制加熱深度，從而減小變形；這種快速熔化、凝固的非平衡過(guò)程，可形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒細(xì)化，提高合金元素的固溶度和改善鑄造零件的成分偏析。激光熔覆與激光合金化區(qū)別：基體熔化程度不同激光熔覆基體微熔而添加物全熔，基體對(duì)表層合金的稀釋率小，獲得具有原來(lái)特性和功能的強(qiáng)化層。激光合金化是將合金元素熔入基體表面，對(duì)基體材料進(jìn)行表面改性。激光合金化的優(yōu)點(diǎn)激光熔覆與激光合金化區(qū)別：基體熔化程度不同829.1.5激光清洗技術(shù)用功率密度很高（108~1011w/cm2）的激光束，在極短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)（10-9~10-3s）照射金屬表面使表面的污物、顆粒、銹斑等附著物很快氣化，從而達(dá)到潔凈化的工藝過(guò)程。干式清洗不損傷基材表面綠色清洗工藝9.1.5激光清洗技術(shù)干式清洗不損傷基材表面綠色清洗工藝83激光紋身清洗激光紋身清洗84油脂清洗油脂清洗859.2離子束表面改性在離子注入機(jī)中把各種所需的離子（如N+、C+、O+、Cr+、Ni+、Ti+、Ag+等金屬或非金屬離子）加速成具有幾萬(wàn)甚至百萬(wàn)電子伏特能量的載能束，并注入固體材料的表面層。離子注入將引起材料表層的成分和結(jié)構(gòu)的變化，由此導(dǎo)致表面物理、化學(xué)或力學(xué)性能發(fā)生變化，達(dá)到表面改性的目的。9.2離子束表面改性在離子注入機(jī)中把各種所需的離子（如N+86離子注入系統(tǒng)的組成離子源磁分析器加速管聚焦和掃描系統(tǒng)工藝腔（靶室）從離子源引出的離子經(jīng)磁體分析儀選擇出需要的離子，然后加速，經(jīng)過(guò)兩維偏轉(zhuǎn)掃描器使離子束均勻的注入到材料表面用電荷積分儀器可精確測(cè)量注入離子的數(shù)量，調(diào)節(jié)注入離子的能量可精確控制離子的注入深度。離子注入系統(tǒng)的組成離子源從離子源引出的離子經(jīng)磁體分析儀選擇出87【優(yōu)質(zhì)課件】高能束表面改性技術(shù)培訓(xùn)課件(-)88典型應(yīng)用：半導(dǎo)體的摻雜，摻雜離子的類型、深度、濃度可以精確控制。典型應(yīng)用：半導(dǎo)體的摻雜，摻雜離子的類型、深度、濃度可以精確控89表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度↑離子注入改性機(jī)理

固溶強(qiáng)化間隙原子固溶強(qiáng)化，注入層體積膨脹，應(yīng)力↑，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，硬度，耐磨性↑

析出相彌散強(qiáng)化如：注入N、C、B—氮化物、碳化物、硼化物，彌散相，硬度、耐磨性↑

位錯(cuò)釘扎大量的注入雜質(zhì)聚集在因離子轟擊產(chǎn)生的位錯(cuò)線的周圍，形成柯氏氣團(tuán)，并在位錯(cuò)線上形成許多位錯(cuò)釘扎點(diǎn)，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，改善抗磨性能。表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度↑離子注入改性機(jī)理固溶強(qiáng)化析出90提高表面性能的基體材料及注入離子的種類基體材料影響性能注入的離子鋁合金腐蝕Mo+硬度N+鈹合金腐蝕、硬度B+陶瓷硬度Y+，N+，Zr+，Cr+磨損、韌性O(shè)+，N+滲鈷碳化鎢硬度、磨損N+，Co+鈦合金腐蝕N+，C+磨損、硬度N+，C+，B+摩擦Sn+，Ag+疲勞N+，C+提高表面性能的基體材料及注入離子的種類基體材料影響性能注入的919.3電子束表面改性電子束表面改性原理當(dāng)高速電子束照射到金屬表面時(shí)，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用，從而使被處理金屬的表層溫度迅速