高能束表面改性技术.ppt

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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1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。2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。31.激光激光”一词在英文里

2、是“LASER”，是“LightAmplificationbyStimuIatadEmissionofRadiation”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4激光的特点方向性好单色性好能量集中相干性好5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

3、用寿命和降低成本，提高经济效益。6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。72.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℃/s～106℃/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。89激光相变硬化特点与传统热处理工艺

4、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。10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

5、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。11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5

6、μm，具有较好的防锈性，激光处理后不用清除即可用来装配。12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。13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

7、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。14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151）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

8、属或合金表