第四章 高能束表面改性讲解

材料表面工程
二、激光相变硬化的特点
⑴ 加热速度↑↑ →过热度↑↑ →时间短，晶粒来不及长大
（103-105℃/s）
→A形核率↑↑
→极易全部A化
常规加热：晶粒通常为8-10级，激光加热：12级以上
⑵ 淬火冷速（ 105℃/s） ↑↑ →得到全M组织
（基体自冷）
→常规淬火，有先共析相或P析出
（激光加热光斑极小） →先共析Fe3C，↓M中C量，↓硬度
结论：仍难以圆满解决
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九、应用
⑴ 发动机排气门密封面和发动机缸盖头锥面熔覆钴基合金。 ⑵ 航空发动机涡轮叶片表面激光熔覆抗烧蚀涂层。 ⑶ 汽轮机末级叶片叶尖迎风面熔覆耐水蚀Co基合金等(见图)。 ⑷ 冶金行业的轧辊表面强化。
⑸ 石油钻头熔覆WC层。
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第二节 离子束表面改性
一、离子束能量和表面改性技术的关系
V ↑↑ →T达不到相变温度 V ↓↓ →T熔点→变成激光熔凝 ⑶ 参数确定→实验→这就是技术
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六、影响激光相变硬化的因素
1. 材料成分
随着钢中碳含量的增加，激光 相变硬化层的硬度愈高。
2. 原始组织
细片状P、回火M或A可得到 的硬化层较深。球状P只能得 到较浅的硬化层，淬火态的 基材硬化层最深
激光熔覆层截面示意图
激光熔覆层横截面组织(400x)
Hale Waihona Puke 由激光熔覆Co基合金层与基材结合区的横截面组织形貌图可见 熔覆层中有大量的枝晶组织，与基材呈冶金结合。
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四、激光熔覆的工艺参数
通过大量实验，得到下列估算熔覆速度V的经验公式： V=a－bW
V—为熔覆速度（mm/s） W—为单道熔覆宽度（mm） K=exp(－ T/1.8H)
能量在数十eV~数百eV范围内用于离子束沉积；１~５keV范围 为离子刻蚀区，用于表面微细加工；10~30MeV为离子注入区；
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二、离子注入定义
离子注入技术是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有
几万到几十万电子伏特的高能离子束后注入到固体材料表面， 形成特殊物理、化学或机械性能表面改性层
统，可对深孔、内孔、凹槽、盲孔等部位处理，采用一些特殊的 导光系统可以使单道激光熔覆层宽度达到20~30mm，最大厚度可 达3mm以上，使熔覆效率和覆层质量进一步提高； ⑹ 激光熔覆对环境无污染，无辐射、低噪音。
缺点： ⑴ 表面粗糙→再加工→硬度高→难以加工，成本↑ ⑵ 熔覆层开裂！！！！！！
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1.2 激光表面熔凝
一、原理 利用激光束将基材表面加
热到熔化温度以上, 然后快速 冷却并凝固结晶。 二、特点
比激光淬火层的总硬化层 深度要深、硬度要高、耐磨 性也要好。
缺点是，基材表面的粗糙 度较大，后续加工量大。 三、应用
1. ↑耐磨性 2. 激光快速熔凝Ni-P合金， 可以得到均匀的非晶态层。
三、工艺过程
⑴ 离化→气体，在高温灯丝加速电子的作用下离化。 简单
→金属，先蒸发成原子，然后离化。
复杂
⑵ 分离→磁分析器从离子源产生的正离子中筛选出所需的离子
⑶ 加速→加速器将筛选出的正离子加速到所需的能量
⑷ 聚焦→利用四极透镜系统将离子束进行聚焦
⑸ 注入→聚焦后的离子束高速注入靶面（工件表面）
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其中P/ ( D V )的物理意义为单位面积激光作用区注入的激光能量， 称为比能量，单位为J/cm2。描述激光淬火的另一个重要工艺参数 为功率密度，即单位面积注入工件表面的功率密度。为了使材料 表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104 W/cm2，一般为 1000 ~ 6000 W/cm2。 ⑵ 关键参数→对具体设备，功率一定，关键是扫描速度 V
B MoS2, Cr, Cu TiN, Al2O3 WC TiC TiC TiC
Ti合金
C、Si
HV 1950~2100 耐磨性提高2-5倍 HV 2000
HV 2100 HV 1700
HRC58 TiC量为50%Vol时，耐磨性
与标准耐磨材料相当 40%H2SO4溶液中耐蚀性提 高了40-50%
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– 压应力产生的原因 淬硬层A →M时，体积膨胀，基体
不变。使表层膨胀受约束而产生。
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四、激光淬火的金相组织及硬度（45钢—实例）
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五、激光相变硬化的工艺参数
⑴ 工艺参数间的关系 激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径(D)，淬硬层深度(H)由激
光功率(P)、光斑直径和扫描速度(V)共同决定，主要关系为： H ∝ P/ ( D V )
3. 扫描速度
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七、应用
优点：
激光淬火具有加热速度快、 硬度高、变形小、淬火部位可控、 不需淬火介质、生产效率高、无 氧化、无污染等优点 1. 发动机汽缸
1978年，美国通用汽车公司建 成了柴油机汽缸套激光淬火生产 线。寿命↑3倍。
（10万公里不漏油） 国内也已建立了数十条激光 淬火生产线。 螺旋扫描，可避免产生回火 软化区。 2.轧辊表面强化 轧辊表面激光淬火强化，使轧 辊耐磨性提高一倍以上。
不同光斑直径下熔覆层厚度与宽度随激光束扫描速度的变化规律
(a)厚度H与扫描速度Vs的关系
(b)宽度W与扫描速度Vs的关系
基材：A3钢，合金粉：WF150；送粉速率Vg = 11.9g/min, 功率P = 2 kw
光斑直径分别为：曲线1, D1 = 4.5mm; 曲线2 , D2 = 5.0 mm; 曲线3, D3 =6.0 mm
离子注入过程的原理示意图
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三、特点
⑴ 靶材与注入或者添加的元素不受限制，几乎所有固体材 料都可以作为靶材，所有的元素都可以作为注入元素注入到靶材 之中。
⑵ 注入过程不受温度限制，在高温、低温和室温下进行。 ⑶ 注入到靶材中的原子不受靶材固溶度的限制，不受扩散 系数和化学结合力的影响，因此可以获得许多合金相图上并不存 在的合金，为研究新材料体系提供了新途径。 ⑷ 可以精确控制掺杂数量、掺杂深度与位置，掺杂的位置 精度可以达到亚微米级。 ⑸ 离子注入过程横向扩散可以忽略，深度均匀；大面积均 匀性好，掺杂杂质纯度高，因此特别适合半导体器件和集成电路 微细加工的工艺需求。 ⑹ 直接离子注入不改变工件尺寸，因此特别适合于精密机 械零件的表面处理，如航空、航天等。 ⑺ 主要缺点为设备成本比较高，一次性投资比较大；离子 注入层比较浅，一般以纳米为单位进行计量，离子最大注入深度 也只有数个微米。
扫描速度V ↑， →厚度H与宽度W↓
光斑直径D ↑， →厚度H ↓，宽度W ↑
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六、典型基材表面激光熔覆工艺参数
基体材料 熔覆材料 送粉方式 工艺参数 （CO2激光 ）
2Cr13钢、 18-8不锈 A3钢
A3钢 工具钢
20钢
Ni-Cr-B-Si
Ni-Cr-B-Si + 50%(wt) WC 铁基自熔 合金 粉末高速 钢
1.4 激光表面熔覆
一、原理 相变硬化： 表面不熔 表面合金化：粉末全熔，基体有较深熔化，两者全部混合 激光熔覆： 粉末全熔，基体表面微熔， → 结合力↑↑
二、激光熔覆粉末提供方式
(a) 预置涂层法
(b) 同步送粉法
预置粉末方式有粘结剂预涂覆、火焰喷涂、等离子喷涂、电镀等
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三、激光熔覆层截面示意图及微观组织
2. 结合强度↑↑↑→因是冶金结合 3. 能量大而集中，作用时间短→对基体影响小 4. 工艺简单、操作灵活
激光功率、光斑大小以及扫描速度随时可调 5. 自动化程度高→生产效率高
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1.1 激光相变硬化
一、原理 ⑴ 同一般钢的淬火无差别 ⑵ 加热（A化）→冷却（淬火，得到M） →硬化 ⑶ 问题是在特殊情况下（如亚共析、过共析钢），极难获得全M
T—为熔覆厚度（mm） H—为单道熔覆厚度（mm） VH=d
C=KWV K—为搭接因子 c—为单位时间内的熔覆面积（mm2/s）
a、b、d为常数，当激光功率为3KW，光斑直径为5mm时， a=57.36, b=10.81, d=5.17
实测与计算的关系：计算→指导作用， 实测→具体确定
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五、工艺参数间的相互关系
⑶ 显微组织
亚共析：M
M+F
心部原始组织(P+F)
过共析：M
M+P
心部原始组织(P)
表层 → 次表层 → 心部
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三、激光相变硬化的性能
⑴ 硬度↑↑ →M强化（C含量亦↑ ） ↘ 细晶强化
Hall-Pitch H=Hs+K/d1/2 ⑵ 抗疲劳性能↑↑
表面呈压应力区，心部呈拉应力区。 疲劳裂纹是由拉应力而产生。
Co-Cr-B-Si + WC
预置或 同步 同步送粉
预置涂层 同步送粉 预置涂层
P=2kw, V=2-18 mm/s, D=5 mm
P=2kw, V=2-6 mm/s, D=5 mm 层厚：0.5-2 mm
P=1.6kw, D=3-4mm, V=4-6mm/s
P=1.5kw, D=5 mm, V=3-15mm/s，硬度可达Hv750-850 P=1.2 kw, D=3.5 mm, V=6mm/s
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1.3 激光表面合金化
一、原理 利用激光将基体材料和加入的粉末一起熔化并均匀化后迅速凝固，在表 面获得新的合金成分与结构。
二、熔化层成分的均匀化 控制成分均匀性的关键在于控制熔池横截面的形状因子，即合金化层
的宽度与深度之比。而宽度取决于光斑直径，深度则取决于激光功率密 度、扫描速度和合金元素加入方式与重量分数。
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七、特点
优点： ⑴ 改性幅度高：熔覆层稀释率低，且可以精确控制。 ⑵ 改性范围大：不受相图限制，可利用各种材料进行改性； ⑶ 能量密度高、作用时间短，基材热影响区及热变形均↓。 ⑷ 激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，结合强度高。 ⑸ 激光熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制。设计专门的导光系