高能束表面改性技术.ppt

1,第八章 高能束表面改性技术,激光表面改性 电子束表面改性 离子注入表面改性,2,激光束和离子束、电子束一起被称为“三束”。采用“三束”对材料表面进行改性或合金化的技术，是近十几年迅速发展起来的材料表面处理新技术。,3,这些技术主要包括两个方面:一是利用激光束、电子束获得极高的加热和冷却速度，在短时间内加热或熔化表面区域，从而形成一些异常的高度过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋予材料表面特殊的性能，提高工件的使用性能，扩大材料的应用领域。其二是利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层中进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制。,4,1.激光,激光”一词在英文里是“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意为“受激发射的辐射光放大”。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。,8.1 激光表面改性,5,激光的特点,方向性好单色性好能量集中相干性好,6,激光表面处理技术,激光表面处理技术就是利用具有方向高度集中、能量高度集中的激光束作为热源，对材料进行表面改性或合金化的技术。激光表面处理是在材料的表面施加极高的能量，使之发生物理、化学变化，显著地提高材料的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品的质量，成倍地延长产品使用寿命和降低成本，提高经济效益。,7,激光表面处理技术工艺包括激光相变强化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等。,8,2.激光相变硬化,激光相变硬化也称激光淬火。以高能量的激光束快速扫描工件，使材料表面极薄一层的局部小区域内快速吸收能量而使温度急剧上升(升温速度可达105/s106/s)，使其迅速达到奥氏体化温度，此时工件基体仍处于冷态，激光离去后，由于热传导的作用，此表层被加热区域内的热量迅速传递到工件其它部位，冷却速度可达105/s以上，使该局部区域在瞬间进行自冷淬火，得到马氏体组织，因而使材料表面发生相变硬化。,9,10,激光相变硬化特点,与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面进行硬化处理。,11,激光相变硬化工艺,激光相变硬化重要的是要控制表面温度和淬硬层深度，且要求在保证一定淬硬层深度的前提下，有较高的生产效率。实际操作中，激光输出功率、功率密度、光斑尺寸和扫描速度等变量是控制的重点，其它变量还有金属的表面特性、导热率、熔点及沸点等。扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量，不能达到所需的相变温度。,12,此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层，对工件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸收率大幅提高。常用的黑化处理方法有磷化法、碳素法和熔覆红外能量吸收材料(如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料等)。其中磷化法最好，其吸收率可达80%90，膜厚仅为5m，具有较好的防锈性，激光处理后不用清除即可用来装配。,13,激光相变硬化的应用,激光相变硬化是激光表面处理技术最成熟、应用最广泛的一种方法，由于它具有节能、高效、精密、高性能等独特优点，在生产应用中取得明显经济效益。20世纪70年代欧美等国在汽车行业中应用激光相变硬化，最先获得工业应用。1974年美国通用汽车公司采用激光表面相变硬化技术使汽车转向器壳体内腔(可锻铸铁)的耐磨性提高10倍，80年代已有17条激光表面相变硬化处理生产线，日处理33000件。,14,国内自20世纪80年代以来激光相变硬化工艺的应用开发在车辆、机械、矿山、模具等方面也有许多成功的实例并建立了生产线,例如对汽车或拖拉机汽缸套内壁进行激光相变硬化处理，使汽缸套的使用寿命成倍提高。,15,激光合金化与熔覆是同一种类型的工艺，它们的区别仅在于，激光合金化所形成的合金层的成分是介于施加合金与基体金属之间的中间成分，即施加合金受到较大或一定的稀释。而激光熔敷则是除较窄的结合层外，施加合金基本保持原成分很少受到稀释。这些区别可以由被施加材料、施加合金成分、施加形式及量和激光工艺参数的改变来达到。,3.激光合金化与激光熔覆,16,1）激光合金化,激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使廉价基体的表层具有特定的合金成分的技术。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。激光合金化能量密度一般为104106Wcm2，采用近于聚焦的光束。基体材料为碳钢、铸铁及铝、钛、镍基合金等。,17,激光合金化工艺,激光合金化的工艺有三种：预置法、硬质粒子喷射法、气相合金化法，下面仅介绍预置法。采用电沉积、气相沉积、离子注入、刷涂、渗层重熔、火焰及等离子弧喷涂、粘结剂涂覆等方法将所要求的合金粉末事先涂覆在要合金化的材料表面，然后激光加热熔化，在表面形成新的合金层。这种方法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。粘结剂涂刷预涂覆的优点是经济、方便、不受合金元素的限制以及易于进行混合成分粉末的合金化；其缺点是涂刷层厚度不易控制。,18,预置式激光合金化示意图,19,激光合金化的应用,激光合金化可有效提高表面层的硬度和耐磨性。如对于钛合金，利用激光碳硼共渗和碳硅共渗的方法，实现了钛合金表面的硅合金化，硬度由299376HV提高到14302290HV，与硬质合金圆盘对磨时，合金化后耐磨性可提高两个数量级。美国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀，使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，其耐磨性与CrWMn钢相比，是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原用的CrWMn钢制的托板寿命提高了34倍。,20,铝合金气缸体激光合金化,21,2）激光熔覆,激光表面熔覆是指利用激光加热基材表面以形成一个较浅的熔池，同时送入预定成份的合金粉末一起熔化后迅速凝固、或者是将预先涂敷在基材表面的涂层与基材一起熔化后迅速凝固，以得到一层新的熔覆层。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。激光熔敷的基体材料为碳钢、铸铁、不锈钢和铝等，涂层材料是Co、Ni和Fe基合金、碳化物和氧化铝和陶瓷等。,22,激光熔覆工艺可分为两种：一种是预熔覆激光熔覆法，该法与激光合金化的预置法类似，即先把熔覆合金通过粘结、喷涂、电镀，预置丝材或板材等方法预置在将熔覆材料表面上，而后用激光束将其熔覆。另一种是气相送粉法，即在激光束照射基体材料表面产生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光熔池内实现熔覆。为了调节熔覆层的成分或形成梯度功能，熔覆层可采用多种送粉方式。,23,激光熔覆工艺示意图,24,激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB-21侦察轰炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。,激光熔覆的应用,25,26,最先采用激光熔覆技术的汽车零件是发动机排气门的密封锥面熔覆司太立（Stellite）合金。目前国内外对排气门堆焊高温耐热合金，大多采用等离子喷焊技术，但在喷焊层中易产生气孔，废品率较高，且粉末消耗量大，1988年日本公布了用同步气相送粉法激光熔覆排气门的专利，国内也正在开发类似激光熔覆工艺并已用于工业生产。,27,激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免。为此，研究人员除了改进设备，探索合适的工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其它熔覆材料。,28,电子束在工业中的应用已有几十年的历史，但在金属表面处理方面的应用则始于20世纪70年代初期。由电子枪发射的高速电子束属于一种高能量密度的热源，其最大功率密度可达109W/cm2,这是激光器无法比拟的。这种高能电子束照射到金属表面时，电子流进入材料表面一定深度，与基体金属的原子碰撞，动能转换为热能并传与金属表层原子，在极短的时间内就可使金属表面温度升高，迅速加热、迅速冷却，其速度可达103106/s，通过控制能量密度，可进行表面相变硬化、表面熔融强化和表面冲击强化。,8.2 电子束表面改性,29,电子束加热设备包括电子枪、聚焦系统、扫描系统、真空系统、高压油箱、传动与监控系统。电子枪由发射阴极、控制栅极及加速阳极组成。发射阴极由纯钨或纯钽制成，加热后放出大量电子。,1.电子束的产生及工作原理,30,电子束表面处理的特点,电子束加热能量利用率高，为激光加热的9倍，耗能为感应加热1/2。属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，表面质量高。同时也不存在工具损耗问题。可进行局部处理，对形状复杂的工件深孔、台阶、斜面都可进行处理。各工艺参数容易控制，电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。缺点是电子束必须在真空室中处理，极不方便。,31,1）电子束表面相变硬化,电子束表面相变硬化也称电子束表面淬火，是用高能量的电子束快速扫描工件，控制加热速度为103105/s，使金属表面薄层被快速加热到相变点以上，此刻工件基体仍处于冷态。随着电子束的移开和热传导作用，表面热量迅速向工件心部或其他区域传递，高速冷却(冷却速度达108Ks1010 Ks)产生马氏体等相变，在瞬间实现自冷淬火。,2.电子束表面改性工艺,32,目前，利用电子束加热装置对零件进行表面相变硬化，已经达到相当精确与高效率水平。这种方法适用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。例如，用2kW3.2kW电子束处理45钢和T7钢的表面，束斑直径为6mm，加热速度为3000s5000s，钢的表面生成隐针和细针马氏体，45钢表面硬度达62HRC；T7钢表面硬度达66HRC。,33,2）电子束表面重熔处理,利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化，再停止电子束轰击，熔化处快速凝固，可使金属表面形成精细的显微组织，提高表面硬度和韧性。对于某些合金，电子束重熔可使金属组织中的化学元素重新分布，降低某些元素的显微偏析程度，改善工件表面的性能。目前，电子束重熔主要用于工模具的表面处理上，以便在保持或改善工模具韧性的同时，提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性。如高速钢冲孔模的端部刃口经电子束重熔处理后，获得深1mm、硬度为6667HRC的表面层，使该层组织细化，碳化物极细且分布均匀，具有强度和韧性的最佳配合。,34,3）电子束表面合金化,电子束表面合金化与激光表面合金化有些相似，将某些具有特殊性能的合金粉末或化合物粉末如B4C、WC等粉末预涂敷在金属的表面上，然后用电子束加热，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，在表面形成与原金属材料的成分和组织完全不同的新的合金层，从而使零件或零件的某些部位提高耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化的特种性能。电子束表面合金化所需电子束功率密度较高，约为电子束相变硬化的3倍以上；或通过增加电子束照射时问，使基体表层的一定深度内发生熔化。,35,电子束表面相变硬化首先用于汽车工业和宇航工业。用铬硼钢SAE5060钢(美国结构钢)制造的汽车离合器进行电子束表面淬火，工作室真空度为6.67 Pa，容积为0.03 m3。电子束以预定的图案照射三个排成一列离合器沟槽表面上加热淬火，然后工件旋转到下一个沟槽再进行加热淬火，直到八个沟槽都淬完后降下工作台取下工件。淬硬层深度为1.5mm，表面硬度为58HRC。整个操作共需42 s时间，每小时处理250个工件，并克服了感应加热表面无法克服的变形问题。,3.电子束表面改性应用,36,美国SKF工业公司与空军莱特研究所共同研究成功了航空发动机主轴轴承圈的电子束表面相变硬化技术。用美国M50(4Cr-4Mo-V)钢所制造的轴承圈容易在工作条件下产生疲劳裂纹而导致突然断裂。采用电子束进行表面相变硬化后，在轴承旋转接触面上得到0.76mm的淬硬层，代替整体淬火，有效地防止了疲劳裂纹的产生和扩展，解决了疲劳断裂问题，提高了轴承圈的寿命。,37,1.离子注入原理,在真空中将注入元素电离，利用电场加速作用使它们形成具有数万至数百万电子伏特的离子束流，并入射到工件基体材料中去，离子束与基体表面中的的原子核或电子多次碰撞，能量逐渐被消耗，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，这一过程称离子注入。,8.3 离子注入表面改性,38,离子注入技术可以注入各种离子，改变材料表层成分，优化材料表面性能，甚至使工件获得某些新的优异性能，而且是一种纯净的无公害的表面处理技术。近30年来离子注入技术在国际上得到了蓬勃发展和广泛应用。,39,2.离子注入的特点,注入离子完全渗进基体表面层，本身无明显界面，不存在镀层与界面剥离问题。无需热激活，无需在高温环境下进行（室温或200以下），因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；也不会出现由于加热所引起的表面回火软化效应。通过对离子能量和数量的控制可以改变注入的深度与浓度。注入元素可任意选择，它可注入从原子量为1的氢到原子量200以上的全部元素，主要注入元素有N、Cr、P、B、C、S等。；离子注入后无需再进行机械加工和热处理。,40,从目前的技术水平看，离子注入技术还存在一定局限性，如注入层太薄（1m）；离子只能直线行进，对于复杂的或有内孔的零件不能进行离子注入；设备造价高，所以应用还不广泛。,41,离子注入的装置称为离子注入机。离子注入机按离子注入对象可分为半导体注入机和金属离子注入机；按离子束的能量可分为为中束流注入机、强束流注入机和高能注入机三种；还可分为质量分析注入机、氮离子注入机和等离子源注入机。美国Eaton和Varian是世界上最大的离子注入机制造公司，其次是日本。,3.离子注入装置,离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于20世纪60年代问世，早期研究离子注入是用重离子加速器来进行的。目前离子注入机出现了多种形式，但就基本工作原理和结构来说是相同的。,42,43,离子注入机的主要指标是离子束能量、束流的强度和均匀性。离子注入的深度主要取决于离子束能量，通常在20400KeV之间，注入的效率主要由束流强度决定；注入元素剂量的均匀性和重复性也是衡量离子注入机的重要指标。,44,半导体的渗杂,金属材料的表面处理,4.离子注入的应用,此外，离子注入在改进陶瓷表面韧性与摩擦性方面也已显示出一定的能力；离子注入还可以引起高分子聚合物的交联、降解、石墨化等，从而改善其强度或光学特性。,45,离子注入技术已广泛地用于宇航尖端零件、重要化工零件、医学矫形件以及模具、刀具和磁头的表面改性。我国已对多种模具、刃具、人工关节、金刚石拉丝模及磁头等做了离子注入方面的研究，航天、航空和核工程用的精密轴承也相继进行了离子注入研究，有的已取得了重要成果。,离子注入可以向金属表面注入金属或气体元素，提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性和抗高温氧化性；同时还可以降低摩擦系数，改善摩擦性能。向GCr15轴承钢表面注入N+至31017N+/cm2时，显微硬度达到HV1100，耐磨性能提高35倍。我国生产的各类冲模和压制模一般寿命为20005000次，而英、美、日本的同类产品采用离子注入技术后，寿命达50000次以上。,46,国外生产的电冰箱、洗衣机等的活塞门，材料基本与我国的相同，甚至是普通低碳钢，由于采用了所谓“专利性处理工艺，使用寿命是我国同类产品的几倍到几十倍。有的钢铁材料经离子注入后耐磨性可提高100倍以上。用作人工关节的钛合金Ti-6A1-4V耐磨性差，用离子注入N+后，耐磨性提高1000倍，生物性能也得到改善。铝、不锈钢中注入He+，铜中注入B+、He+、Al+和Cr+离子，金属或合金耐大气腐蚀性明显提高，其机理是离子注入的金属表面上形成了注人元素的饱和层，阻止金属表面吸附其他气体，从而提高金属耐大气腐蚀性能。,47,不同金属注入不同离子后对性能的影响,