第9章-高能束表面改性技術

第9章高能束表面改性技術9.1激光表面改性技術9.2離子束表面改性9.3電子束表面改性9.1激光表面改性技術激光表面改性不改變基材表面成分改變基材表面成分激光淬火激光熔覆激光組織細化激光退火激光非晶化激光熔凝淬火激光沖擊硬化激光極化激光清洗激光誘導液相沉積激光合金化激光化學氣相沉積激光增強電鍍激光物理氣相沉積圖9-1激光表面改性技術的分類9.1激光表面改性技術激光表面改性的特點功率密度大，加熱速度快，基體自冷速度高；工件熱變形很??；可以局部加熱；可以實現(xiàn)在線加工和自動化操作。9.1激光表面改性技術激光束與材料表面的相互作用激光照射到材料表面；激光被材料吸收變?yōu)闊崮?；表層材料受熱升溫；發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變、熔化甚至蒸發(fā)；材料在激光作用后冷卻。9.1激光表面改性技術金屬對激光的吸收激光的波長越短，吸收率越高；溫度升高，吸收率增大；電導率越高，吸收率越低；表面粗糙度愈大，其吸收率愈大。9.1激光表面改性技術激光束與金屬作用的類型熱作用力作用光作用

1、熱作用激光光子的能量向固體金屬的傳輸?shù)倪^程就是固體金屬對激光光子的吸收的過程。激光與金屬材料交互作用而產(chǎn)生的加熱效應取決于材料對激光光子的吸收。2、力作用當激光束強度遠低于熔化門坎值時，由于金屬表面高的溫度梯度，在亞表層區(qū)會產(chǎn)生嚴重的不均勻應變。當內(nèi)應力超過屈服應力時，材料會發(fā)生塑性變形。3、光作用激光與金屬材料的交互作用也可以通過光作用而實現(xiàn)，不過這種作用是一種間接的作用。由于這種作用主要用來制備特殊的非金屬材料和無機材料，如金剛石薄膜、類金剛石薄膜等。9.1激光表面改性技術激光束表面相變硬化

以高能密度的激光束快速照射工件，使其需要硬化的部位瞬間吸收光能并立即轉(zhuǎn)化成熱能，而使激光作用區(qū)的溫度急劇上升，形成奧氏體。此時工件基體仍處于冷態(tài)并與加熱區(qū)之間有極高的溫度梯度。因此，一旦停止激光照射，加熱區(qū)因急冷而實現(xiàn)工件的自淬火，故又叫做激光淬火。9.1激光表面改性技術

——激光束表面相變硬化

激光作用下的合金中的相變1、相變的熱力學條件：相變的熱力學條件是指相變過程必須在相平衡溫度以上的溫度范圍內(nèi)完成。2、成分特點：相變完成后奧氏體成分很不均勻。3、組織特性：奧氏體晶粒小而不均勻，易得到隱針或細針馬氏體組織。9.1激光表面改性技術

——激光束表面相變硬化分析點

C（%）

Cr（%）

Fe（%）

1

0.62

0.91

98.47

2

0.91

1.17

97.42

3

0.96

0.91

98.13

4

1.27

1.14

97.59GCr15鋼激光淬火硬化層不同部位化學成分9.1激光表面改性技術

——激光束表面相變硬化激光束表面相變硬化處理前工件表面的預處理：黑化處理——使吸收率大幅提高。常用的黑化處理方法：磷化法、碳素法和涂覆紅外能量吸收材料。僅對工件局部表面進行激光淬火，且硬化層可精確控制，因而它是精密的節(jié)能表面改性技術。激光淬火的硬度高，耐磨性好?？蓪崿F(xiàn)自冷淬火。極快的加熱速度104～106℃/s和冷卻速度106～108℃/s。生產(chǎn)效率高。對工件的許多特殊部位可實現(xiàn)激光淬火。工藝過程易實現(xiàn)電腦控制的生產(chǎn)自動化。激光相變硬化特點9.1激光表面改性技術

——激光束表面相變硬化表10-1

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GCr15硬化區(qū)深0.94mm，峰值硬度980HV0.1,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9.1激光表面改性技術

——激光熔覆激光熔覆：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－激光熔覆法同步送粉法9.1激光表面改性技術

——激光熔覆預涂覆－激光熔覆法：先把熔覆合金通過粘結(jié)，噴涂，電鍍，預置絲材或板材等方法預置在將熔覆材料表面上，而后用激光束將其熔覆。同步送粉法：在激光束照射基體材料表面產(chǎn)生熔池的同時，用惰性氣體將涂層粉末直接噴到激光熔池內(nèi)實現(xiàn)熔覆。9.1激光表面改性技術

——激光熔覆激光熔覆的優(yōu)點：冶金結(jié)合；加熱速度很快；熱變形較?。贿m用于面積較小的局部處理。9.1激光表面改性技術激光合金化：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。激光表面合金化示意圖9.1激光表面改性技術

——激光合金化激光合金化的工藝形式預置法硬質(zhì)粒子噴射法氣相合金化法9.1激光表面改性技術

——激光合金化激光合金化的優(yōu)點使難以接近的和局部的區(qū)域合金化；在快速處理中能有效地利用能量；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。9.1激光表面改性技術激光表面非晶化原理利用能量密度數(shù)量級高達106W／cm2的CO2激光器連續(xù)激光束，以極快的速度(如1～10m／s)掃描，在金屬表面形成過熱度很高的薄層熔體。同時，在熱量尚未傳給冷基體的條件下，熔體與相鄰冷基體之間保持了很大的溫度梯度，從而實現(xiàn)了熔體的超快速冷卻，使熔體過冷至其晶化溫度以下，防止晶體成核和生長，從而在金屬表面形成非晶。9.1激光表面改性技術激光熔凝也稱激光熔化淬火，用激光束將獲得工件表面加熱熔化到一定深度，然后自冷使熔層凝固，獲得較為細化均質(zhì)的組織和所需性能的表面改性技術。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9.1激光表面改性技術激光清洗技術

用功率密度很高（108~1011w/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。9.1激光表面改性技術激光沖擊硬化在表面原子逸出期間產(chǎn)生動量脈沖而形成的沖擊波或應力波作用于金屬表面使表層材料顯微組織中的位錯密度增加，形成類似于受到爆炸沖擊或高能快速平面沖擊后產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)，從而提高合金的強度、硬度和疲勞極限。9.2離子束表面改性離子注入基本原理在離子注入機中把各種所需的離子加速成具有幾萬甚至百萬電子伏特能量的載能束，并注入金屬固體材料的表面層。圖9-1離子注入裝置簡圖9.2離子束表面改性離子注入表面改性的一般機理

損傷強化作用彌散強化作用噴丸強化作用提高抗氧化性提高潤滑性提高耐腐蝕性表10-2

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基體材料影響性能注入的離子鋁合金腐蝕Mo+銅合金腐蝕Cr+，Al+硬度N+高合金鋼腐蝕Cr+，Ta+，Y+鈹合金腐蝕B+磨損Ti+＋C+硬度B+硬度Ti+＋C+陶瓷硬度Y+，N+，Zr+，Cr+摩擦Sn+，Ag+，Au+磨損O+，N+疲勞N+韌性O+，N+低合金鋼腐蝕Cr+，Ta+滲鈷碳化鎢硬度N+，Co+磨損N+磨損N+，Co+硬度N+鈦合金腐蝕N+，C+摩擦Sn+磨損N+，C+，B+疲勞N+，Ti+硬度N+，C+，B+超合金磨損Y+，C+，N+摩擦Sn+，Ag+腐蝕Pt+，Au+，Ta+疲勞N+，C+9.2離子束表面改性離子注入的特點周期表上的任何元素，都可注入任何基體材料；可得到用其它方法得不到的新合金相；離子注入層與基體結(jié)合牢固；易于精確控制注入離子的濃度分布；工件表面無形變、無氧化；可有選擇地改變基體材料的表面能量，并在表面內(nèi)形成壓應力。

9.3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