10-教案-表面技術(shù)概論-高能束流技術(shù)-2

授課學時：2學時章節(jié)名稱第10章高能束表面改性技術(shù)（2學時）教學目的

和要求通過本章學習，掌握激光、電子和等離子三束技術(shù)在表面技術(shù)領(lǐng)域的應用及各自的特點。教學方法

教學手段教學進程設

計（含教學

內(nèi)容、教學

設計、時間

分配等）激光表面改性技術(shù)離子束表面改性技術(shù)；電子束表面改性原理及特點1、教學方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點，用分析證明、分類舉例（特別要分清“復合層次”，以免漏層）的方法突破難點。2、教學手段：以傳統(tǒng)的口述，現(xiàn)代的多媒體，再加黑板為輔助的多種手段交叉進行教學。章節(jié)名稱第10章高能束表面改性技術(shù)（2學時）教學目的

和要求通過本章學習，掌握激光、電子和等離子三束技術(shù)在表面技術(shù)領(lǐng)域的應用及各自的特點。教學方法

教學手段教學進程設

計（含教學

內(nèi)容、教學

設計、時間

分配等）激光表面改性技術(shù)離子束表面改性技術(shù)；電子束表面改性原理及特點1、教學方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點，用分析證明、分類舉例（特別要分清“復合層次”，以免漏層）的方法突破難點。2、教學手段：以傳統(tǒng)的口述，現(xiàn)代的多媒體，再加黑板為輔助的多種手段交叉進行教學。高能束是指能量密度大于103W/cm2的能量束，包括：離子束、激光束、電子束高能束的特點可獲得極高的加熱和冷卻速度加熱速度極快，整個基體的溫度可以不受影響采用高能束流進行表面改性主要包括：利用激光束、電于束可獲得極高的加熱和冷卻速度，從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、熱平衡相圖上不存在的高度過飽和固溶體和亞穩(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)合金化熱力學條件的限制。激光表面改性技術(shù)激光束表面處理：采用激光對材料表面進行改性的一種表面處理技術(shù)。激光照射到材料表面-表層材料受熱升溫-激光作用后冷卻-激光被吸收變?yōu)闊崮?固態(tài)相變/熔化/蒸發(fā)（1）激光作用時間10-4s左右，聚焦功率密度在102W/mm2時，作用于金屬表面，主要產(chǎn)生溫升相變現(xiàn)象：用于激光相變硬化；（2）激光作用時間在10-3?1s之間，聚焦功率密度在102?104W/mm2的范圍時，金屬材料除了產(chǎn)生溫升、熔化現(xiàn)象之外，主要是氣化，用于熔化、焊接、合金化和熔敷。（3）激光作用時間在<10-6s,聚焦功率密度增加到109W/mm2時，除了產(chǎn)生上述現(xiàn)象外，金屬內(nèi)熱壓縮激波和金屬表面上產(chǎn)生的駭波沖擊效應成為主要現(xiàn)象，主要用于沖擊硬化。10.1.2材料對激光吸收的基本特點①聚焦激光具有極高的功率密度功率密度：104?109W/cm2,交互作用時間：10-3?10-6s。感應加熱：103W/cm2；電子束加熱max105W/cm2；電火花加熱max103W/cm2。②熱效應只集中在材料表面很薄的區(qū)域內(nèi)<1pm?從0.25mm紫外到10.6|Jm紅外波段，光波在各種金屬中的穿透深度只達到10nm數(shù)量級對金屬表面狀況極為敏感③金屬對激光吸收的微觀機制是光頻電磁波與金屬表面自由電子的相互作用<1mm?從0.25mm紫外到10.6mm紅外波段，光波在各種金屬中的穿透深度只達到10nm數(shù)量級對金屬表面狀況極為敏感③金屬對激光吸收的微觀機制是光頻電磁波與金屬表面自由電子的相互作用紅外激光、光子能量低——只與自由電子作用；可見光與紫外光——還可與金屬中的束縛電子作用。金屬對紅外激光的吸收率是很低的1金屬的溫度：鋼室溫分接近熔點表面粗糙度：鋼銃削后Ra25Hm噴砂處理形成氧化物吸收率增加15%吸收率18%吸收率35%金屬 拋光狀態(tài)A1 3.4%Fe 5.0%Zr 8.3%600°。氧化2小時有資料報導：25^50% A1經(jīng)陽極氧化，Al2。?厚度>3口m時，吸收率33-74% 刁100%45-56%Ti 9.4%18?25%形成松軟多孔涂層磷酸鹽涂層（鋅鹽磷化或鎰鹽磷化）膠體石墨涂層水粉顏料涂層硫化表面（形成Fe^S。、國外權(quán)威資料，用吸A熱法測定，吸收率75~83%o此數(shù)據(jù)應較J為可信

激光表面改性技術(shù)不熔熔化汽化合金化相變硬化 /非晶化胃晶粒細化/沖擊硬化相變硬化 /非晶化胃晶粒細化/沖擊硬化金屬激光處理方法分類（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。激光相變硬化的特點功率密度高、加熱快、冷卻快、淬火組織細、硬度高（提高15?20%）；輸入熱量少、變形量極小、基本不破壞表面光潔度；經(jīng)本體熱傳導冷卻、無需冷卻介質(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、溝槽等復雜形狀部位。超快速加熱使奧氏體形核率大大增加，奧氏體形成時間極短，晶粒來不及長大，因此奧氏體顯著細化（必然帶來隨后快冷的淬火組織極為細化）。激光淬硬時，鋼的微觀組織中晶體缺陷和晶格畸變遠高于普通淬火，從而也顯著提高表層硬度。例如45鋼，一般淬火，位錯密度108條/cm2,激光淬火，位錯密度1010?1012條/cm2。位錯密度提高2~4個數(shù)量級，抵抗塑性變形能力加強，即反映為硬度提高。激光表面淬硬的根本機制是利用了快速加熱奧氏體化及快冷的動力學特點，充分發(fā)揮了晶粒細化，固溶強化，彌散強化、相變硬化等強化機制的作用。表1激光束相變硬化實例編號零件名稱材料優(yōu)點或效果1錠桿GCrl5硬化區(qū)深0.94mm,峰值硬度980HY0.i,相對耐磨性提高10倍2成形刀高速鋼刀具耐用度提高2.5~3.5倍，切削速度提高7~8倍3氣缸套鑄鐵比硼缸套壽命高25%,與活塞環(huán)配制壽命提高30%4精密儀器V型導軌45鋼較原來滲碳工藝減少工序，變形極小，成品率高5汽車曲軸鑄造球墨鑄鐵硬度提高到HRC55~62,耐磨性和疲勞強度均能提高6電動打字機鏈桿托鋼制，需硬化部位寬1mm,3mm由于對處理部位要求嚴，變形需小，要求HRC58,一般方法非常困難，激光則非常合適，能很容易解決

(2)激光表面熔凝處理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，從而使金屬表面產(chǎn)生特殊微觀組織結(jié)構(gòu)的一種表面改性技術(shù)熱影響區(qū) 熔凝層相變硬化層基材至蒙面距離/由由>三弱強罪藍至蒙面距離/由由>三弱強罪藍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激光熔凝強化機制一類是不發(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。普通碳鋼：熔凝處理在結(jié)晶過程中，奧氏體從液固界面向表面快速生長，形成定向排列的柱狀晶結(jié)構(gòu)固態(tài)相變時奧氏體呈等軸晶結(jié)構(gòu)不同。例45鋼激光表面固態(tài)淬硬，可達HRC56?58,激光快速熔凝強化，可達HRC58~60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，且萊氏體生長方向指向表面，硬度至少達到HRC50?52,從而顯著強化。⑶激光熔覆用激光在基體表面熔覆一層薄的具有特定性能的材料，要求基體對表層合金的稀釋度為最小。預涂覆一激光熔覆法同步送粉法熔覆材料：目前應用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鉆基、鐵基合金、碳化鎢復合材料。其中，又以銀基材料應用最多，與鉆基材料相比，其價格便宜。熔覆工藝：激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預置式激光熔覆和同步式激光熔覆?！鲱A置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式最為常用?！鐾绞郊す馊鄹矂t是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進行同步送料。激光熔覆的優(yōu)點：冶金結(jié)合；加熱速度很快；熱變形較??；適用于面積較小的局部處理。激光熔覆與類似方法的比較?機械咬合 基體過度稀釋涂層 低稀釋率?結(jié)合力差 性能差 求金結(jié)合,質(zhì)最好激光熔覆術(shù)的應用航空領(lǐng)域鈦合金在航空航天領(lǐng)域廣泛使用，主要用來制造高的強度/質(zhì)量比、耐熱和耐腐蝕的零部件，同時鈦合金在應用過程中也存在許多不足之處，如摩擦因數(shù)大，耐磨性差等。如果在鈦合金材料表面熔覆一層能增強材料表面特性的物質(zhì)，同時利用激光熔覆技術(shù)，還可以降低成本，節(jié)約時間。石油方面許多金屬零部件長期處于承受重載狀態(tài)，同時還有嚴重的腐蝕和磨損現(xiàn)象，導致金屬零部件易損害，所以金屬零部件需要具有高硬度、高強度、高耐蝕性等各種性能，才能長期應用于惡劣環(huán)境。(4)激光合金化：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)。激光合金化的優(yōu)點利用激光的深聚焦，在不規(guī)則的零件上可得到均勻的合金化深度；能準確地控制功率密度和控制加熱深度，從而減小變形；可以節(jié)約大量的具有戰(zhàn)略價值或貴重的元素，形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒細化，提高合金元素的固溶度和改善鑄造零件的成分偏析。(5)激光清洗技術(shù)用功率密度很高(108?10Uw/cm2)的激光束，在極短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)(10-9?10-3s)照射金屬表面使表面的污物、顆粒、銹斑或者涂層等附著物很快氣化，從而達到潔凈化的工藝過程。10.2離子束表面改性在離子注入機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）加速成具有幾萬甚至百萬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，由此導致材料的各種物理、化學或力學性能發(fā)生變化，達到表面改質(zhì)的目的。1.氣體 2,爐3.離子源4.靜電加速器5,真空 6.注入室7.試樣&XY掃描9.質(zhì)批分析儀10.電流枳分器離子注入裝置簡圖離子注入改性機理■表面硬度、耐磨性、疲勞強度T■固溶強化間隙原子固溶強化，注入層體積膨脹，應力3阻止位錯運動，硬度，耐磨性T＞析出相彌散強化如：注入N、C、B—氮化物、碳化物、硼化物，彌散相，硬度、耐磨性T＞位錯釘扎大量的注入雜質(zhì)聚集在因離子轟擊產(chǎn)生的位錯線的周圍，形成柯氏氣團，并在位錯線上形成許多位錯釘扎點，阻止位錯運動，改善抗磨性能。10.3電子束表面改性電子束表面改性原理當高速電子束照射到金屬表面時，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。在陰極和陽極之間的高壓電場作用下，熱電子加速向陽極方向高速移動，并獲得很高的動能。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)進行掃描。

電子槍I「電沌u真空室料燈里陰相聚都三&r=ri!廢佳時卻電子槍I「電沌u真空室料燈里陰相聚都三&r=ri!廢佳時卻i局:即r==^i-電子束區(qū)工程..」基至矍造_電子束表面改性的特點(1)電子束淬火處理在真空中進行，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。