电子束表面处理的研究进展

电子束表面处理的研究进展
*
赵铁钧
1,2
,田小梅1,高 波1
,涂赣峰
1
(1 东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;2 沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110168)
摘要 强流脉冲电子束是近几十年发展起来的一种新兴的表面处理技术。

在介绍电子束表面处理工艺特点的基础上,重点论述了电子束表面处理技术中表面相变强化、表面重熔、表面合金化、表面非晶化、表面薄层退火等工艺方法及最近研究进展,提出怎样扩大强流脉冲电子束应用范围是研究重点之一。

关键词 电子束 表面处理 进展
中图分类号:TG174.4 文献标识码:A
Research Development of Elect ron Beam Surface T reatm ent
ZHAO T iejun 1,2,T IAN Xiaomei 1,GAO Bo 1,TU Ganfeng 1
(1 Schoo l o f M aterials and M etallurg y,N or theaster n U niv ersity ,Sheny ang 110004;2 Schoo l o f M aterials Science and
Eng ineering ,Sheny ang U niver sity of T echno lo gy ,Sheny ang 110168)
Abstract H igh curr ent pulsed electr on beam(H CPEB)has been dev elo ped int ensiv ely as a new high -pow er ener -getic beam used fo r the surface modification o f mater ials in the last few decades.Based on the intr oductio n o f character is -tics of electr on beam applied in sur face treatment,the r esear ch prog r ess in elect ron beam techno log ies,such as phase transfor mation str eng thening ,surface remelt ing,surface allo ying ,surface amor phous transfor mation,and thin layer an -nealing,is discussed in this pa per.H ow to w iden the applicatio n scale o f HCP EB is an impo rtant r esear ch dir ection.
Key words elect ron beam,surface treatment,develo pment
*中国博士后科学基金(N o.20060390971);辽宁省 百千万人才工程 项目(N o.2008921028)
赵铁钧:男,1972年生,博士生,主要从事材料表面处理的研究 高波:联系人 E -mail:sur fgao @
0 引言
随着经济和科学技术的迅速发展,人们对各种产品抵御
环境作用的能力和长期运行的可靠性、稳定性提出了更高的要求。

材料的失效如磨损、腐蚀、疲劳等一般从表面开始,在许多情况下,构件、零部件的性能和质量主要取决于材料表面的性能和质量,因此通过改善材料表面及近表面区的形态、化学成分、组织结构以提高材料性能的表面改性技术近年来得到了迅速发展,尤其是激光束、电子束和离子束技术在表面工程中的应用得到了显著提高,使得高能束流表面处理技术的研究及应用受到了人们的广泛关注[1-4]。

本文主要就电子束表面改性技术的特点及近年的研究进展进行简要阐述。

1 电子束表面改性技术的特点
电子束表面改性开始于20世纪70年代,其特点主要是利用高能电子束的热源作用使材料表面温度迅速升高,表层成分和组织结构发生变化,进而提高材料表面硬度,增强耐磨性,改善耐腐蚀性能,从而延长处理件的服役寿命。

其主要优点是设备功率大、能量利用率高、加热和冷却速度快、定位准确、参数易于调节。

俄罗斯T OM SK 研究所的Markov 等与德国、日本合作,
致力于脉冲电子束系统电物理特性原理探讨、技术改造及电子束与各种材料相互作用特性研究。

他们的研究工作极大地促进了强流脉冲电子束在金属及非金属材料表面处理中的应用。

国内在电子束表面改性方面的研究主要有:大连理工大学、沈阳理工大学先后从俄罗斯TOM SK 强电流研究所引进相关设备,开始了强流脉冲电子束在金属材料表面改性中的研究;北京航空航天大学江兴流教授课题组在国家自然科学基金的支持下自行研制开发出了多极板纳秒赝火花强脉冲粒子束(电子与离子束)装置[5],开展了大量赝火花脉冲电子束铁电薄膜制备等的研究[6-9]。

2 电子束表面处理的研究现状及进展
通过控制电子束处理参数以及不同的处理工艺,可以达到不同的表面改性效果。

可将目前的电子束表面改性技术分为以下几种类型:电子束表面相变强化、电子束表面重熔处理、电子束表面合金化、电子束表面熔敷、电子束表面非晶化处理、电子束表面薄层退火。

下面将分别就这几种技术展开论述。

2.1 电子束表面相变强化
电子束表面相变强化主要针对有相变(主要是马氏体相
变)过程的合金,电子束加热温度超过相变温度但未及熔点温度,其工艺过程关键是控制电子束加热金属工件表面时电
89 电子束表面处理的研究进展/赵铁钧等
子束斑平均功率密度在104~105W/cm2的范围内,加热速度为103~105 /s,使金属表面加热到相变点以上,此刻基体仍处于冷态,在电子束停止加热后,表面层所获得的热量通过工件自身的热传导迅速散去,使加热表面很快冷却,冷却速度可达104~106 /s,这样就可以获得 自淬火 的效果。

丛欣等[10]对齿状9SiCr冷作模具钢电子束表面处理淬火组织及性能进行分析,发现电子束处理可以显著提高淬火层硬度。

电子束淬火组织中碳化物的溶解度远高于常规淬火的,这是由于电子束快速熔凝造成过饱和固溶强化,并形成超细化马氏体,硬度增大,表面呈残余压应力,从而提高了材料的耐磨性。

2.2 电子束表面重熔处理
电子束表面重熔处理是利用电子束轰击工件表面使表面温度瞬间达到熔点以上,产生局部熔化后并快速凝固,从而细化组织,提高材料表面整体性能。

电子束重熔可使某些合金各组成相间的化学元素重新分布,降低某些元素的显微偏析程度,从而改善工件表面的性能。

目前,电子束重熔主要用于工模具及高温合金的表面处理,在保持或改善工模具韧性的同时,提高其表面强度、耐磨性和热稳定性。

赵晖等对高速钢(W6M o5Cr4V2)表面进行电子束处理后得到几微米厚的熔凝层,该层组织明显细化[11]。

邹慧等对45钢进行强流脉冲电子束处理时发现,随电子束轰击次数的增加,合金表面显微硬度、表面耐磨性提高[12]。

董闯等研究了模具钢的电子束表面处理,结果表明改性层表面生成的重熔层厚度达10 m,次表层显微硬度增加,相对耐磨性提高了5~11倍[13,14]。

胡传顺等对钛镍合金、镍合金进行电子束熔凝处理后发现,改性后合金组织细化、成分均匀,抗高温氧化能力提高[15,16]。

由于电子束重熔是在真空条件下进行的,表面重熔时有利于防止表面的氧化,因此电子束重熔处理特别适用于化学活性高的镁合金、铝合金等的表面处理。

纯铝及铝合金经电子束处理后晶粒细化,甚至形成微晶、非晶态组织[17,18];对镁合金进行电子束处理后,表面重熔层中Al元素的过饱和固溶及成分均匀化使其耐蚀性得到改善[19,20];钛合金经电子束处理后组织也发生细化,成分均匀[21]。

笔者对纯镁进行强流脉冲电子束处理后,发现其表层呈现一种特殊的胞状结构,可以理解为强流脉冲电子束处理过程中形成的特殊凝固组织,重熔层出现大量的孪晶缺陷是由材料快速塑性变形诱发的[22]。

强流脉冲电子束处理需要在真空条件下进行,而且流水线作业很困难,因此应用开发应该偏向高端材料发展。

2.3 电子束表面合金化
电子束表面合金化是将合金粉末涂覆在金属表面上,然后控制电子束与表面的作用时间,使表面涂覆层熔化,基体材料的表面薄层也微熔,形成表面局部区域的冶炼得到新的合金,从而提高工件表面性能。

一般选择W、T i、B、M o等元素及其碳化物作为合金化原料提高材料耐磨性;选择Ni、Cr 等元素则可提高材料的抗腐蚀性能;而适当添加Co、Ni、Si 等元素能改善合金化效果。

石其年等通过对45钢采用预引入法涂覆WC、Co、T iC、T i、Ni、N iCr、Cr2C3、B4C等合金粉末进行电子束表面强化,经处理后材料的回火稳定性、表面硬度和耐磨性等均显著提高,使其可替代模具钢制造部分模具工作零件[23]。

张可敏等对316L不锈钢进行电子束表面钛合金化后,形成富钛的合金层及扩散层,电子束轰击一定次数后,由于试样表面元素分布均匀,残余应力低,含钛量较高而具有优异的耐蚀性[24]。

陈迎春等通过使用高能量密度的电子束高速扫描预先涂有Si粉的T iAl合金表面, 原位 制得以高硬度金属间化合物T i5Si3为增强相和以T iAl、T i3Al为基体的复相合金表面改性层,该改性层具有较高的硬度,显微硬度最高达到基体的3倍[25,26]。

邹建新等采用电弧离子镀的方法,在20钢和H13钢表面分别沉积了约30 m和10 m厚的纯铝层,然后用强流脉冲电子束对铝膜进行表面快速合金化,这种复合处理可以显著提高钢在高温下的抗氧化性能[27]。

2.4 电子束表面非晶化处理
利用聚焦的电子束所特有的高功率密度以及作用时间短等特点,将电子束的平均功率密度提高到106~107W/ cm2,作用时间缩短至10-5s左右,使金属工件表面很薄的一层(几微米)熔化,传入工件内层的热量可忽略不计,从而在基体与熔化的表层之间产生很大的温度梯度,在停止电子束照射后,由于热量向基体扩散,金属表面立即以极快的速度冷却(~107~9 /s),如此高的冷却速率远远超过常规制取非晶所需要的冷却速率(103~6 /s),因此利用强流脉冲电子束处理获得非晶不失为一个好的选择,所获非晶的金相组织形态致密,具有优异的抗疲劳及抗腐蚀性能,可直接使用,也可进一步处理以获得所需性能[28]。

非晶层的性能与电子束处理表面的熔凝速率及熔化层等有关。

研究表明,电子束与基体的交互作用时间愈短,加热和冷却速率愈大,冷却速率的增大可使凝固组织细化,熔凝层显微硬度增大,为一般结构材料的表面直接转变为非晶层开辟了新途径[29]。

杨志卿等研究报道了在H F-2000场发射电镜的电子束辐照下,Al/A l2O3界面附近Al发生非晶转变,并且认为这是一个氧化过程[30]。

2.5 电子束表面薄层退火
当电子束作为表面薄层退火热源使用时,所需要的功率密度要较上述方法低很多,以此降低材料的冷却速度。

对于金属材料,此法主要应用于薄带的表面处理。

另外,电子束退火还成功地应用于半导体材料上。

目前,离子注入方法是进行半导体掺杂的有利手段,不但可以控制掺杂深度及杂质浓度,而且还能得到特殊的杂质浓度分布。

然而,高能量的离子注入会造成晶格损伤,使半导体表面出现无序层和大量的位错,严重影响其使用性能[31]。

通过脉冲或扫描电子束表面薄层退火处理,半导体表面可通过固态或液态外延作用消除损伤和杂质的扩散作用,使电激活率接近100%[32]。

3 结束语
目前,电子束表面非晶态处理、冲击淬火方法仍处于实
90
材料导报:综述篇 2009年3月(上)第23卷第3期
验研究阶段,而其他几种方法已经部分应用于工业生产。

现在人们仍在努力探索新的电子束表面处理工艺[33],以扩大其应用范围。

近些年电子束表面处理从宏观性能的改变到微观作用机理的研究得到了进一步的深入发展,有学者通过数值模拟的方法分析电子束处理过程的温度场、浓度场和应力场的分布及变化。

电子束处理后改变了表层金属和合金的微观结构,可以获得过饱和固溶体等非平衡结构,从而达到提高材料表面性能的目的。

由于国内大功率电子枪的开发与研制落后于一些发达国家,使得我国电子束表面处理的应用不够广泛。

控制电子束流的稳定性进而控制电子束处理表面性能的稳定性也将是以后电子束表面处理技术的发展方向。

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(责任编辑 林 芳)
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电子束表面处理的研究进展/赵铁钧等。