材料表面与界面(3-2).教学提纲.ppt

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1、材料表面与界面(3-2).第3章金属表面处理方法3.3激光表面改性3.3.2激光与材料表面的交互作用（1）激光器固体（YAG）激光器，气体（CO2）激光器。1KW以内为小功率，1～5KW为中等功率，5～20KW为大功率。（2）激光作用于材料表面的热反应Ex=Eo（1-R）exp（-βx）式中：Ex为穿透深度为x处的激光能量Eo为激光束能量R为表面对激光的反射率β为激光在材料内的吸收系数Ex随x变化极快，一般穿透深度小于0.1μm。热传导：低温：声子热传导中温：电子热传导（几百～几千℃）高温：辐射热传导（3）激光辐射照产生的应力与应变加热时表面膨胀，产生横向压应力，发生压缩

2、变形，使材料挤出表面。冷却时产生拉应力，拉伸塑性变形。第3章金属表面处理方法3.3激光表面改性3.3.3激光表面相变硬化（1）黑化处理为提高工件表面对激光的吸收率，对表面进行黑化处理。主要包括：涂碳法、胶体石墨法、磷酸盐法。（2）激光相变硬化及其组织利用高能束照射在可相变硬化的材料表面（以钢为例）使表面迅速加热到相变温度以上，形成奥氏体，当光斑扫过后，表层奥氏体被内层金属快速冷却，得到马氏体。硬化层的组织特点为：组织超细化；化学成分不均匀——微区成分不均匀的马氏体或残余奥氏体；晶体缺陷密度提高；未熔碳化物数量减少；残余奥氏体增加。（3）激光硬化层的特征与性能能量密度为：。

3、式中：P为激光功率；D为光斑直径；V为扫描速度。在不熔化的前提下，选择最大的E，得到最大的表面硬度和硬化层深度。硬化层的性能特点为：1硬度：各种金属材料，硬度比极值提高20%，原因主要是细化晶粒；2耐磨性：可以使GCr15钢的使用寿命提高一倍；3残余应力：表面为残余压应力，次表面为残余拉应力；4疲劳性能：由于产生表面压应力，提高疲劳性能（疲劳裂纹多产生于表面）。第3章金属表面处理方法3.3激光表面改性3.3.3激光表面相变硬化（4）应用主要应用于汽缸套、邮票打孔机（寿命提高20倍）。（5）激光熔化淬火细化晶粒、纯净表面（杂质、气孔和化合物）、铸铁表面组织改进。（6）激光非

4、晶化快速冷却使合金表面得到非晶。（7）激光冲击硬化高能激光束使表面气化，形成冲击波，仅作用于表面，使表面塑变、强化。第3章金属表面处理方法3.3激光表面改性3.3.4激光表面合金化（1）工艺介绍目的：提高表面耐磨和防腐性能。方法：将合金化元素和陶瓷粉末以一定方式添加到基体金属表面，通过激光加热使其与基体表面共熔而混合，形成表面特种合金层。表面涂合金方法：共沉积法和预沉积法。共沉积法：激光照射同时送入粉末，要求有高精度送粉设备。预沉积法：粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、预制薄板或金属箔。影响合金化的主要参数：激光束参数：I：入射能量密度；tp：脉冲持续时间；Ro：材

5、料对激光反射率d：光斑尺寸；de：有效光斑尺寸材料热力学参数：D：热扩散系数；T：熔点；Pº：蒸气压过程：通过熔化表面膜A和部分基体B，把薄膜元素可控地结合入基体B中。液态混合之后，快速凝固，使合金化元素结合到基体表面。机制：形成理想的表面合金；利用快速加热和快速凝固形成特殊的亚稳合金，实现特殊的性能。第3章金属表面处理方法3.3激光表面改性3.3.4激光表面合金化（2）表面激光合金化热力学以二元合金系激光表面合金化为研究对象，可有以下三种情况：1固态和液态都互溶；2液态互溶，固态有限互溶或完全不互溶；3液态不互溶。固态和液态都互溶：以Pd-Ni为例。在Ni表面预制115

6、nm厚的Pd膜，用500W激光束熔化时间为100μs，表面Pd含量达到12%，固溶机制为置换。液态互溶，固态有限互溶或不互溶：液态时是单相，到固态时为两相或多相，这一点很重要，为激光表面合金化能得到新的表面合金提供了可能。液态不互溶，固态互溶有限：以Ag-Ni为例。在Ni基体上预涂210nm厚的Ag膜，激光功率为5MW/cm2，作用时间为10μs，使表面熔化，但凝固后，Ag和Ni互相分开。如果Ag膜厚度为1nm，熔化时间为200μs。凝固后，Ag会以2%的浓度溶入Ni基体，但Ni晶格被辐照损伤——Ag在Ni上实现表面合金化。要有足够薄的膜，高的熔化温度、长的熔化时间。沉积

7、膜厚度与熔化深度比值决定了表面合金层的成分。把低熔点物质表面合金化到高熔点物质上是困难的。如：Zn表面合金化到W基底。第3章金属表面处理方法3.3激光表面改性3.3.4激光表面合金化（3）表面合金化举例钢中加入Cr、Ni、Mo的目的是提高表面耐周围环境的性能。所以为降低成本，只在表面进行合金化处理。如：70%Cr-30Ni%粉末涂在钢表面，激光合金化后，得到29Cr-13Ni表面合金，在H2SO4种与不锈钢有相同的耐蚀性。用压轧方法在Fe表面形成Mo薄膜，表面激光处理，产生的合金化区域，深度为450～500μm，Mo的平均浓度