高能束表面处理

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1、2019/4/30,1,第五节 高能束表面改性,2019/4/30,2,概 述,激光束、离子束、电子束三束 三束材料表面改性的技术主要包括两个方面： 1利用三束（激光、电子）的高能量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亚稳合金相，从而赋予材料表面特殊的性能。 2.利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层进行合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金热力学条件的限制。,2019/4/30,3,三束加热特点：,1三束直接加热的材料表层一般深度在几微米； 2加热表面功率密度相当大，电子束、离子束的脉冲宽度为10-9s，激光的脉冲宽度可短至10-1

2、2s; 3材料表面由表及里产生极高的温度梯度，106108K/cm，从而导致极高的冷却速度，1091011K/s. 4表面产生大量缺陷，特别是离子束，除加热材料表面外，固体表面受到离子的轰击时，表面原子大量被溅射出来，从而产生缺陷。,2019/4/30,4,高能束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成分或结构实现了， 成分的改变包括：表面合金化和熔覆； 结构的改变包括：组织和相的改变 利用高能束的表面合金化的重要特点是可以获得结构上的亚稳组织，往往具有抗蚀能力及较高的机械强度。,2019/4/30,5,激光表面处理,激光表面处理的目的： 改变表面层的成分和显微结构； 激光表面处理工艺包括

3、： 激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等：,2019/4/30,6,激光表面处理的许多效果是与快速加热和随后的急速冷却分不开的。加热和冷却速率可达106s108s。 目前，激光表面处理技术已用于汽车、冶金、石油、机车、机床、军工、轻工、农机以及刀具、模具等领域，并正显示出越来越广泛的工业应用前景。,2019/4/30,7,一、激光的特点,（1）高方向性 激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度，可以认为光束基本上是平行的。 一般的平行平面型谐振腔的激光发射角由下式表示： 2.44d 式中，d为工作物质直径；为激光波长。,2019/4/30,8,（2）高光强性,激光器发射

4、出来的光束非常强，通过聚焦集中到一个极小的范围之内，可以获得极高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可达1014Wcm2， 焦斑中心温度可达几千度到几万度，只有电子束的功率密度才能和激光相比拟。,2019/4/30,9,（3）高单色性,激光具有相同的位相和波长，所以激光的单色性好。,（4）高相干性,2019/4/30,10,二、激光表面处理设备,激光表面处理设备包括： 激光器、 功率计、 导光聚焦系统、 工作台、 数控系统、 软件编程系统。,2019/4/30,11,(一) 激光的产生,某些具有亚稳态能级结构的物质受外界能量激发时，可能使处于亚稳态能级的原子数目大于处于低能级的原子数目，此物

5、质被称为激活介质，处于粒子数反转状态。 如果这时用能量恰好与此物质亚稳态和低能态的能量差相等的一束光照射此物质，则会产生受激辐射，输出大量频率、位相、传播和振动方向都与外来光完全一致的光，这种光称为激光。,2019/4/30,12,（二）激光的模,激光的模系指激光束在截面上能量分布的形式。,2019/4/30,13,基模光斑呈圆形，能量较集中。 基模与低阶模通常用于激光加工和处理，如焊接、切割等。 高阶模由于强度分布较均匀，常用于材料表面均匀加热，可避免局部熔化。,2019/4/30,14,（三）激光的功率密度,激光光斑越大，光斑上功率密度越小。 因此，选择透镜的焦距和调节工件表面离开透镜的位

6、置对功率密度有重要影响。,2019/4/30,15,（四）激光与材料的相互作用,激光与材料的相互作用主要是通过电子激发实现的。 只有一部分激光被材料所吸收而转化为热能，另一部分激光则从材料表面反射。不同材料对不同波长激光的反射率是不同的。 一般情况下，电导率高的金属材料对激光的反射率高，表面粗糙度小反射率也高。,2019/4/30,16,激光器,1气体激光器：以气体或蒸气为工作物质，包括原子、分子、离子、准分子、金属原子蒸气等。 a) 氦-氖激光器：是最早出现的气体激光器，也是目前用得最广泛的典型原子激光器。它以连续放电激励方式运转。其连续输出功率最大为瓦级。,2019/4/30,17,它在可

7、见和红外区有许多激光谱线，最重要的是0.6328m, 1.15m和3.39m三条谱线。 在激光加工设备中，常作红外激光器与导光系统的调整装置。,2019/4/30,18,b) 氩离子激光器,氩离子激光器是目前可见光区连续功率最高的相干光光源。 其最高连续功率已达成150W，效率最高达0.6%,使用寿命超过1000h,频率稳定度为210-5，常用于微加工中。,2019/4/30,19,c) CO2激光器 横向流动、快速轴流（纵流）,CO2激光器输出功率大，转换效率高，一般为1520%. 材料加工用的商品CO2激光器输出功率为数十瓦至万瓦(520kw)之间，脉冲输出功率为数千瓦至105瓦。 CO2

8、激光器的波长为10.6m.,2019/4/30,20,CO2气体激光器的特点,CO2气体激光器是以CO2气体为激活媒质，发射的是中红外波段激光，波长为10.6m。一般是连续波（简称CW），但也可以脉冲式地工作。其特点是： 电-光转换功率高，理论值可达4O，一般为1020。其他类型的激光器如红宝石的仅为2。 单位输出功率的投资低。 能在工业环境下，长时间连续稳定工作。 易于控制，有利于自动化。,2019/4/30,21,工业用大功率CO2激光器,l）直管型（纵向流动）激光器,2019/4/30,22,2）横流型CO2激光器。,2019/4/30,23,d) 准分子激光器,准分子激光器的工作粒子是

9、一种在激发态复合为分子，而在基态离解为原子的不稳定缔合物。,2019/4/30,24,固体激光器,固体激光器的主要特点是： 1) 固体激光器输出光波波长较短，如红宝石激光器输出波长为694.3nm; Nd3+：YAG及Nd3+玻璃激光器的波长为1.06m，比CO2激光器低一个数量级。 对于大多数材料，尤其是金属材料，激光波长越短，吸收系数越大，加热效率越高。,2019/4/30,25,2）固体激光器输出比较容易用普通光学元件传递，在许多应用中方便灵活。 3）固体激光器结构紧凑、牢固耐用、使用维护方便，价格也略低于气体激光器。,2019/4/30,26,机械系统,（l）光束不动（包括焦点位置不动

10、），零件按要求移动的机械系统； （2）零件不动，光束按要求移动（包括焦点位置移动）的机械系统； （3）光束和零件同时按要求移动的机械系统；,2019/4/30,27,2019/4/30,28,激光束与金属的交互作用,金属对激光波长的吸收因金属而异，一般为10m左右，在临界波长以上，金属的反射率非常高，在90%以上，在临界值以下，反射率急剧减小。 金属的表面状态对于反射率极为敏感，表面越光滑反射率越高。,2019/4/30,29,激光透入金属的深度，仅为表面下 10-5cm的范围。所以激光对金属的加热，可以看做是一种表面热源，在表面层光能变为热能，此后热能按一般的传导规律向金属深处传导。 当激光

11、束强度远低于熔化阈值时，由于辐照金属表面中高的温度梯度的作用，在亚表层区会产生严重的不均匀应变。,2019/4/30,30,根据不同的金属加工要求，选用不同功率的激光功率密度,2019/4/30,31,激光相变硬化,激光相变硬化中的几个问题 1工件的黑化处理 因一般情况下，大部分固体金属都会使波长为10.6m（CO2）激光的绝大部分反射，如果进行黑化处理可使吸收率大幅度提高。 黑化处理主要有：涂碳法、胶体石墨法和磷酸盐法等； 其中磷酸盐法最好，其吸收率可达8090%，膜厚仅为5m，同时具有防锈性。,2019/4/30,32,2 激光束的模式,激光束的能量分布和状态由光束的构型或模式来描述，与光

12、束传输系统相关的激光构型可以有四种模式： 高斯模（单模）； 多模； 矩型模； 顶模,2019/4/30,33,3. 焦距选择与焦深,激光热处理多要求淬火带在2mm以上，应选用长焦距的透镜和聚焦反射镜，焦距一般为2m左右。 在激光热处理中焦深也是一个非常重要的参数，焦距越大焦深也越大。,2019/4/30,34,扫描速度和方式对硬化带的影响,硬化带深度和宽度都随扫描速度的增加而减小。,2019/4/30,35,激光相变硬化的特点,1 加热和冷却速度高 加热速度可达105109/s, 对应的加热时间为10-310-7s； 冷却速率可达104107/s。 扫描速率越快，冷却速率也越快,2019/4/

13、30,36,2 高硬度,激光淬火层的硬度比常规淬火层提高1520%。 淬火硬度与加热温度有关，与保温时间无关。 硬化层深度：通常为0.30.5mm。 3. 变形小,2019/4/30,37,表层显微组织,低碳钢分为两层： 外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体； 内层是不完全淬火区，保留有铁素体； 高碳钢分为两层： 外层是隐针马氏体； 内层是隐针马氏体加未溶碳化物。,2019/4/30,38,中碳钢分为四层：,外层是白亮的隐针马氏体；硬度达HV800，比一般淬火硬度高100以上； 第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低； 第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体； 第四层是隐针马氏体和完整

14、的铁素体网。,2019/4/30,39,铸铁可分为三层：,表层是熔化凝固所得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减小； 第二层是隐针马氏体加少量残余的石墨及磷共晶组织； 第三层是较低温度下形成的马氏体。,2019/4/30,40,激光处理工艺及应用,1激光表面强化 2激光表面涂敷 3激光表面非晶态处理 4激光表面合金化 5激光气相沉积,2019/4/30,41,2019/4/30,42,2019/4/30,43,电子束表面处理,高速运动的电子具有波的性质。 当高速电子束照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。 电子与原子核的碰撞可看作为弹性碰撞，因此

15、能量传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子碰撞而完成的。 所传递的能量立即以热能形式传与金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。 这与激光加热有所不同，激光加热时被处理金属表面吸收光子能量，激光并未穿过金属表面。,2019/4/30,44,目前电子束加速电压达125kV， 输出功率达150kw， 能量密度达103MW/m2， 因此，电子束加热的深度和尺寸比激光大。,2019/4/30,45,一、电子束表面处理主要特点,(1) 加热和冷却速度快。 将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度仅几分之一到千分之一秒，其冷却速度可达l06sl08s； （2）与激光相比使用成本低。 电

16、子束处理设备一次性投资比激光少（约为激光的13；电子束实际使用成本也只有激光处理的一半；,2019/4/30,46,（3）结构简单。 电子束靠磁偏转动、扫描，而不需要工件转动、移动和光传输机构； （4）电子束与金属表面偶合性好。 电子束所射表面的角度除34特小角度外，电子束与表面的偶合不受反射的影响，能量利用率远高于激光。因此电子束处理工件前，工件表面不需加吸收涂层； （5）电子束是在真空中工作的，以保证在处理中工件表面不被氧化，但带来许多不便。,2019/4/30,47,（6）电子束能量的控制比激光束方便 通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制。 （7）电子束辐照与激光辐照的主要区别在于产生最高温度的位置和最小熔化层的厚度。 电子束加热时熔化层至少几个微米厚，这会影响冷却阶段固一液相界面的推进速度。电子束加热时能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎同时熔化。电子束加热的液相温度低于激光，因而温度梯度较小，激光加热温度