2022年教案表面技术概论高能束流技术3.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 授课学时：2 学时章节名称第 10 章高能束表面改性技术 （2 学时）备注教学目的通过本章学习,把握激光、电子和等离子三束技术在表面技术和要求领域的应用及各自的特点；（1） 激光表面改性技术重点（2） 离子束表面改性技术；难点（3） 电子束表面改性原理及特点1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点,教学方法 教学手段用分析证明、分类举例（特殊要分清“ 复合层次”,以免漏层）的方法突破难点；2、教学手段：以传统的口述,现代的多媒体,再加黑板为帮助的多种手段交叉进行教学；高能束是指能量密度大于 电子束 高能束的特点10 3W/cm 2的能量束, 包括：离子束、激光束、可获得极高的加热和冷却速度 加热速度极快,整个基体的温度可以不受影响 采纳高能束流进行表面改性主要包括：利用激光束、电于束可获得极高的加热和冷却速度,从而可制成微晶、非晶 及其它一些奇妙的、热平稳相图上不存在的高度过饱和固溶体和亚稳合金,从而给予材料表面以特殊的性能；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；教学进程设10.1 激光表面改性技术-固计（含教学10.1.1 激光束表面处理：采纳激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术；内容、教学激光照耀到材料表面-表层材料受热升温-激光作用后冷却-激光被吸取变为热能设计、时间态相变 /熔化 /蒸发安排等）名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - （1）激光作用时间10-4s 左右,聚焦功率密度在102W/mm2 时,作用于金属表面,主要产生温升相变现象：用于激光相变硬化；（2）激光作用时间在10-31s 之间,聚焦功率密度在102 104W/mm2 的范畴时,金属材料除了产生温升、熔化现象之外,主要是气化,用于熔化、焊接、合金化和 熔敷；（3）激光作用时间在<10-6s,聚焦功率密度增加到109W/mm2 时,除了产生上述现象外,金属内热压缩激波和金属表面上产生的骇波冲击效应成为主要现象,主要用 于冲击硬化；10.1.2 材料对激光吸取的基本特点 聚焦激光具有极高的功率密度功率密度： 104109 W/cm2,交互作用时间: 10-3 10-6s；max 103 W/cm2；感应加热： 103 W/cm2；电子束加热max 105 W/cm2；电火花加热热效应只集中在材料表面很薄的区域内 <1 m ·从 0.25 m 紫外到 10.6 m 红外波段, 光波在各种金属中的穿透深度只达到 10nm 数量级 对金属表面状况极为敏锐 金属对激光吸取的微观机制是光频电磁波与金属表面自由电子的相互作用 <1 m ·从 0.25 m 紫外到 10.6 m 红外波段, 光波在各种金属中的穿透深度只达到 10nm 数量级 对金属表面状况极为敏锐 金属对激光吸取的微观机制是光频电磁波与金属表面自由电子的相互作用名师归纳总结 红外激光、光子能量低 只与自由电子作用；第 2 页,共 7 页可见光与紫外光 仍可与金属中的束缚电子作用；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 金属激光处理方法分类（1）激光束表面相变硬化 在固态下经受激光辐照,其表层被快速加热到奥氏体温度以上,并在激光停止 辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺；激光相变硬化的特点 功率密度高、加热快、冷却快、淬火组织细、硬度高（提高 1520）；输入热量少、变形量微小、基本不破坏表面光滑度；经本体热传导冷却、无需冷却介质、冷却特性良好；挑选性局部表面淬火,硬化层深度、范畴可控,可处理内孔、沟槽等复杂形 状部位；超快速加热使奥氏体形核率大大增加,奥氏体形成时间极短,晶粒来不及长 大,因此奥氏体显著细化（必定带来随后快冷的淬火组织极为细化）；激光淬硬时,钢的微观组织中晶体缺陷和晶格畸变远高于一般淬火,从而也/cm显著提高表层硬度；108 条/cm2,激光淬火,位错密度10 101012 条例如 45 钢,一般淬火,位错密度2；位错密度提高24 个数量级,抗击塑性变形才能加强,即反映为硬度提高；激光表面淬硬的根本机制是利用了快速加热奥氏体化及快冷的动力学特点,充分发挥了晶粒细化,固溶强化,弥散强化、相变硬化等强化机制的作用；表 1 激光束相变硬化实例名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 激光表面熔凝处理 利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描,使之快速形成一层特别薄的熔化 层,并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固,从而使 金属表面产生特殊微观组织结构的一种表面改性技术激光熔凝处理后横截面组织示意图T10 钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布激光熔凝强化机制 一类是不发生组织的根本变化,仅仅是快速熔凝造成晶粒结构变化；一般碳钢：熔凝处理在结晶过程中,奥氏体从液固界面对表面快速生长,形成 定向排列的柱状晶结构 固态相变时奥氏体呈等轴晶结构不同；例 45 钢激光表面固态淬硬,可达HRC 5658 ,激光快速熔凝强化,可达HRC 5860 另一类快速熔凝处理后,获得了与固态相变硬化完全不同的表层组织,从而 根本转变了性能；典型例子是铸铁,铸铁件表层组织全由珠光体+G（石墨）构成,硬度只有HRC2028 ；激光熔凝得到白口表层,且莱氏体生长方向指向表面,硬度至少达 到 HRC 5052,从而显著强化；3激光熔覆 用激光在基体表面熔覆一层薄的具有特定性能的材料,要求基体对表层合金的 稀释度为最小；预涂覆激光熔覆法 同步送粉法 熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨 复合材料；其中,又以镍基材料应用最多,与钴基材料相比,其价格廉价；熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供应方式大致可分为两大类,即预置式激光熔覆 和同步式激光熔覆；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位,然后 采纳激光束辐照扫描熔化,熔覆材料以粉、丝、板的形式加入,其 中以粉末的形式最为常用；同步式激光熔覆就是将熔覆材料直接送入激光束中,使供料和熔覆 同时完成；熔覆材料主要也是以粉末的形式送入,有的也采纳线材 或板材进行同步送料；激光熔覆的优点：冶金结合；加热速度很快；热变形较小；适用于面积较小的局部处理；激光熔覆术的应用 航空领域钛合金在航空航天领域广泛使用,主要用来制造高的强度/质量比、 耐热和耐腐蚀的零部件,同时钛合金在应用过程中也存在很多不足之处,如摩擦因数大,耐磨性 差等；假如在钛合金材料表面熔覆一层能增强材料表面特性的物质,同时利用激光 熔覆技术,仍可以降低成本,节省时间；石油方面 很多金属零部件长期处于承担重载状态,同时仍有严峻的腐蚀和磨损现象,导 致金属零部件易损害,所以金属零部件需要具有高硬度、高强度、高耐蚀性等各种 性能,才能长期应用于恶劣环境；4 激光合金化： 利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面,从而使基体 表层具有特定的合金成分的技术；激光合金化的优点 利用激光的深聚焦,在不规章的零件上可得到匀称的合金化深度；能精确地掌握功率密度和掌握加热深度,从而减小变形；可以节省大量的具有战略价值或珍贵的元素,形成具有特殊性能的非平稳 相、晶粒细化,提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析；名师归纳总结 5 激光清洗技术第 5 页,共 7 页用功率密度很高（1081011w/cm2）的激光束,在极短的脉冲连续时间内（10-910-3s）照耀金属表面使表面的污物、颗粒、锈斑或者涂层等附着物很快气化,- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 从而达到干净化的工艺过程；10.2 离子束表面改性N+、C+、O+、Cr+、Ni+、Ti+、Ag+等金在离子注入机中把各种所需的离子（如属或非金属离子）加速成具有几万甚至百万电子伏特能量的载能束,并注入固体材 料的表面层；离子注入将引起材料表层的成分和结构的变化,由此导致材料的各种物理、化 学或力学性能发生变化,达到表面改质的目的；离子注入装置简图 离子注入改性机理 表面硬度、耐磨性、疲惫强度固溶强化间隙原子固溶强化,注入层体积膨胀,应力 ,阻挡位错运动,硬度,耐磨性析出相弥散强化 如：注入 N、C、 B氮化物、碳化物、硼化物,弥散相,硬度、耐磨性位错钉扎 大量的注入杂质集合在因离子轰击产生的位错线的四周,形成柯氏气团,并在 位错线上形成很多位错钉扎点,阻挡位错运动,改善抗磨性能；10.3 电子束表面改性 电子束表面改性原理 当高速电子束照耀到金属表面时,电子能深化金属表面肯定深度,与基体金 属的原子核及电子发生相互作用,从而使被处理金属的表层温度快速上升；在电子枪里,灯丝通电加热后,产生大量的热电子；在阴极和阳极之间的高压电场作用下,热电子加速向阳极方向高速移动,并 获得很高的动能；在聚焦线圈的作用下,可使电子束流聚焦；在偏转线圈的作用下,可使电子束发生偏转,从而在肯定范畴内进行扫描；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电子束表面改性的特点（1）电子束淬火处理在真空中进行,削减了氧化、氮化的影响,可得到纯洁、质量 很好的表面处理层；（2）电子束加热能量的转换率为80%90%,能量利用率特别高；（3）电子束淬火时靠金属基体自行冷却淬火介质,一般也不需要特殊的冷却装置；（4）由于能量集中、热作用点小,在加热时形成的热应力小；由于硬化层浅,组织应力也小,所以零件变形小；（5）在进行表面合金化时,能在极短的时间内达到一般渗金属几小时或几十小时效 果；10.3 电子束表面改性 电子束改性的方法 电子束淬火 电子束表面合金化电子束覆层 制造非晶态层 摸索题1、 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处和不同处？2、 什么是离子注入？等离子体浸没离子注入的工作原理是什么？名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 7 页