2022年教案表面技术概论高能束流技术 2.pdf

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1、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）备注教学目的和要求通过本章学习，掌握激光、电子和等离子三束技术在表面技术领域的应用及各自的特点。重点难点（1） 激光表面改性技术（2） 离子束表面改性技术；（3） 电子束表面改性原理及特点教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析证明、分类举例（特别要分清“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，再加黑板为辅助的多种手段交叉进行教学。教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）高能束是指能量密度大于103W/cm2的能量束，包括：离子束、激光束、电子

2、束高能束的特点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用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、非晶及其它一些奇特的、热平衡相图上不存在的高度过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋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。10.1 激光表面改性技术10.1.1 激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。激光照射到材料表面-表层材料受热升温-激光作用后冷却-激光被吸收变为热能-固态相变 /熔化 /蒸发精选学习

3、资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页（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 的范围时，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 材料对激光吸收的

4、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。感应加热： 103 W/cm2；电子束加热max 105 W/cm2；电火花加热max 103 W/cm2。热效应只集中在材料表面很薄的区域内1m 从 0.25m 紫外到 10.6m 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感金属对激光吸收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1m 从 0.25m 紫外到 10.6m 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感金属对激光吸收的微观机制是光频电磁波

5、与金属表面自由电子的相互作用红外激光、光子能量低 只与自由电子作用；可见光与紫外光 还可与金属中的束缚电子作用。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页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，其表层被迅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、变形量极小、基本不破坏表面光洁度；经本体热传导冷却、无需冷却介质、冷却特性良好；选择性局部表面淬火，硬化层深度、范围可控，可处理

6、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（必然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普通淬火，从而也显著提高表层硬度。例如 45 钢，一般淬火，位错密度108条/cm2，激光淬火，位错密度10101012条/cm2。位错密度提高24 个数量级，抵抗塑性变形能力加强，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精选学习资料 - - - - - -

7、- - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页(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，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，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。普通碳钢：熔凝处理在结晶过程中，奥氏体从液固界面向表面快速生长，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HR

8、C 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，从而根本改变了性能。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，其价格便宜。熔覆工艺：激光熔覆按熔覆

9、材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页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，然后采用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。同步式激光熔覆则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，有的也采用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

10、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许多不足之处，如摩擦因数大，耐磨性差等。如果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，还可以降低成本，节约时间。石油方面许多金属零部件长期处于承受重载状态，同时还有严重的腐蚀和磨损现象，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，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度；能准确地控制功率密度和控制加

11、热深度，从而减小变形；可以节约大量的具有战略价值或贵重的元素，形成具有特殊性能的非平衡相、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。(5) 激光清洗技术用功率密度很高（1081011w/cm2）的激光束，在极短的脉冲持续时间内（10-910-3s）照射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 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页从而达到洁净化的工艺过程。10.2 离子束表面改性在离子注入机中把各种所需的离子（如N+、C+、O+、Cr+、Ni+、Ti+、Ag+等金属或非金属离子）加速成具有几

12、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、疲劳强度固溶强化间隙原子固溶强化，注入层体积膨胀，应力，阻止位错运动，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聚集在因离子轰击产生的位错线的周围，形成柯氏气团，并在位错线上形成许多位错钉扎点，阻止位错运动，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射到金属表面时，电子能深入金属表面一

13、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迅速升高。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，从而在一定范围内进行扫描。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页电子束表面改性的特点（1）电子束淬火处理在真空中进行，减少了氧化、氮化的影响，可得到纯净、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%，能量利用率非常高。（3）电子束淬火时靠金属基体自行冷却淬火介质，一般也不需要特别的冷却装置。（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思考题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？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页