第八章-高能束表面改性技术 ppt课件

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
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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。
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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。
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8.1 激光表面改性
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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 产品使用寿命和降低成本，提高经济效益。
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。
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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。
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3. 激光合金化与激光熔覆
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。
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激光相变硬化特点
与传统热处理工艺相比，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。
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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。
1. 激光
激光”一词在英文里是“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”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”。
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激光的特点 方向性好 单色性好 能量集中 相干性好
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预置式激光合金化示意图
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激光合金化的应用
激光合金化可有效提高表面层的硬度和耐磨性。如对于钛 合金，利用激光碳硼共渗和碳硅共渗的方法，实现了钛合 金表面的硅合金化，硬度由299～376HV提高到1430～ 2290HV，与硬质合金圆盘对磨时，合金化后耐磨性可提 高两个数量级。
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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 。
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2. 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。
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激光合金化工艺
激光合金化的工艺有三种：预置法、硬质粒子喷射法、气 相合金化法，下面仅介绍预置法。 采用电沉积、气相沉积、离子注入、刷涂、渗层重熔、火 焰及等离子弧喷涂、粘结剂涂覆等方法将所要求的合金粉 末事先涂覆在要合金化的材料表面，然后激光加热熔化， 在表面形成新的合金层。 这种方法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。粘结剂 涂刷预涂覆的优点是经济、方便、不受合金元素的限制以 及易于进行混合成分粉末的合金化；其缺点是涂刷层厚度 不易控制。
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。
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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。
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5μm，具有较好的防锈性，激光处理后不用清除即 可用来装配。
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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。
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1）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属或合金表面 化学成分的技术。
激光合金化能量密度一般为104～106W／cm2，采用近于 聚焦的光束。基体材料为碳钢、铸铁及铝、钛、镍基合金 等。