现代表面改性技术的国内外最新研究进展

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现代表面改性技术的国内外最新研

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摘要：金属材料表面改性技术是一门新兴的技术，主要包括激光表面改性、离子注入法、物理气相沉积法和热喷涂等，简述了该4种技术的研究和发展现状，对各种技术的原理和应用状况分别加以描述，最后总结了材料表面改性技术的发展前景。

关键词：激光表面改性离子注入物理气相沉积。

工业技术的发展使得制造工业产品所需的材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐腐蚀等不同要求，通常采用各种表面处理技术对普通金属材料表面进行加工，使其适用各种复杂的工作环境。金属材料表面改性技术很多，除传统的热处理、电镀堆焊外，还包括激光表面改性、离子注入法、物理气相沉积法和热喷涂等。

随着现代工业的发展, 对机械产品零件表面的性能要求越来越高。对其研究已经成为材料科学研究的一个重要领域。表面改性研究的重要性在于在不改变原材料基本性能的基础上采用各种技术改善或提高材料的表面性能, 金属材料表

面改性可以提高零件的寿命、减少磨损, 提高经济效益。铜合金具有很高的导电、导热性能及良好的塑性; 电极电位是正值, 具有很好的耐蚀性能; 铜合金还是优良的耐磨材料, 这些特点是其它材料所不能同时具有的。铜合金在机械、电子等各行各业的广泛应用, 特别是在耐磨、耐热、耐蚀零件中。如要求表面高性能的铜材零部件有连铸结晶器, 氧枪喷头, 高炉风口, 滑块, 轴承等, 高炉风口是典

型的耐磨耐热零部件, 通过表面改性, 不仅保持其传导性而且达到表面高硬度、高耐磨性等使用要求。目前, 铜合金的表面改性技术主要有: 热处理多元共渗、表面渗硫、等离子喷涂以及铸渗法等。

1 激光表面改性

由于激光特有的优良属性, 自从20世纪中期激光器的研制成功以来, 激光已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。激光表面改性是激光在表面技术领域中的新的应用, 虽然在激光应用领域中只占大约15%的比重, 但由于激光表面处理同其他表面处理技术相比具有很多独特的优点, 如激光熔化后形成的组织, 化学均匀性很高, 而且晶粒非常细小, 因而强化了合金,使耐磨性大大提高; 由于热输入小, 工件变形小, 对基体产生的热影响很小等等。因此在表面处理领域内, 针对激光表面改性的研究和开发活动相当活跃。根据采用的不同的激光能量密度和不同的处理方式, 激光表面改性技术中比较典型的方法有几种: 激光熔覆、激光表面熔凝、激光相变硬化、激光冲击强化、激光表面合金化等。这些方法的目的都是为了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高硬度、高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能, 从而实现既节约了成本, 又满足工作要求的目的。本文综述了激光表面改性技术的研究和应用状况, 展望了激光表面改性技术的发展趋势。

1．1 激光相变硬化

在各种激光表面改性的方法中激光相变硬化是当前研究最多的, 进展最快

的一种表面改性方法。激光相变硬化又称激光淬火, 就是利用激光将金属材料加热到相变点以上, 金属熔化以前, 依靠金属自身冷却达到淬火的目的。激光相变

硬化的实质是马氏体相变硬化。马氏体和亚结构晶粒都被超细化, 相变硬化后残余奥氏体也被显著强化。与常规热处理淬火相比较,激光相变后材料硬度要提高15% ~ 20%, 低碳钢也能提高一定的硬度。

激光相变硬化技术已经应用于球墨铸铁的曲轴; 灰铸铁的导向阀; 铸铁的柴油机轴瓦、凸轮轴、铆钉、联轴器、弹簧; 4340钢的安全凸轮等。对4Cr13不锈钢过丝辊进行激光表面淬火, 得到的硬化层组织为细小的位错马氏体和隐晶马氏

体及少量的残留奥氏体, 组织细密, 硬度高, 并且显著降低了工件的畸变量。激光相变硬化技术在用以提高金属材料的表面硬度、耐磨性、疲劳寿命等方面已经基本成熟, 在机械行业也得到日益广泛的应用。

1．2 激光冲击强化

利用高能密度激光束照射金属材料表面, 由于金属升华气化而急速膨胀, 产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波,从而提高了金属材料的物理机械性能。大功率激光冲击的作用基本上是力学性质, 其热作用可以忽略不计。激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能, 大大提高材料的强度和硬度, 这项新技术最显著的特点是明显改善材料的抗疲劳性能。由于激光冲击强化后使材料产生的变形很小, 不产生热影响区,也不改变材料的表面粗糙度, 非常适合于

微小孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。国外正在进行用激光冲击波来改善飞机结构中紧固件疲劳性能的应用研究。

激光冲击在提高焊缝强度方面的应用研究工作做得较少,相关的报道不多,

但激光冲击技术用于改善焊接接头区性能的研究工作具有相当的吸引力。

1．3 激光合金化

利用高能量的激光束使根据需求加入的合金层涂层与基体金属表面混合熔化, 在极短的时间内, 形成不同化学成分和结构表面的合金层。由于激光加热速度快的特性, 发生成分、组织和性能变化的熔化区及热影响区都很小。合金元素完全溶解于表层内, 获得的改性层成分很均匀, 对皲裂和剥落等倾向不敏感。激光表面合金化与激光熔覆有许多相似之处, 但激光熔覆后, 基体成分基本上不进入涂层中, 而激光表面合金化形成的表面层是合金涂层与基体共同形成的混合层。

激光合金化技术比较适合用于零件的重要部位, 如模具的刀刃等。这种方法不仅增加了工件的寿命和疲劳强度, 而且简化了工艺, 节约了合金元素。目前, 在工业应用中已经开始使用这种表面处理技术。例如: 在氮气氛中熔化T i形成硬度和熔点都很高的T iN, 从而提高表面的硬度和耐磨性。许多合金元素如T i、Nb、V、Cr等都可以通过这种方法渗入材料表层, 从而大幅度改善材料的硬度, 耐磨性和耐腐蚀性能。

近年来日本的汽车制造业亦开始采用这种技术，对汽车排气阀实施激光涂覆钨铬钴合金层。

1．4 激光非晶化

激光非晶化是利用激光熔池所具有的超高速冷却条件使某些成分的合金表面形成具有特殊性能的非晶层。

激光表面改性技术很大幅度地提高了金属材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。激光表面处理效果的优越性使激光表面处理的领域不断扩大, 从黑色金属到有色金属, 甚至运用于非金属材料的表面改性。激光表面改性技术具有广阔的发展前景, 潜力很大, 经济效益可观, 国内外都在积极投入力量进行研究。为了得到综合效果更好的表面层, 复合表面改性技术将是激光表面改性的一个重要