金属表面改性

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·离子注入设备
右图是离子注入装置简图。装置 包括离子发生器、加速系统、分选装 置、离子束扫描系统、试祥室和排气 系统。
从离子发生器发出的离子由 几万伏电压引出，在几万至几十 万伏电压的加速系统中加速获得 高能量，进入分选部，将一定的 质量／电荷比的离子选出。通过 扫描机构扫描轰击工件表面，离 子与工件材料发生一系列相互作 用。
1)激光熔覆（LSC） 采用大功率激光束扫描金属表面,加热基体材料并形 成浅熔池,同时加入其他种类的粉末一起熔化，随后快速 凝固，在金属表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，以 改善其表面性能。
激光熔覆技术示意图
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激光熔覆材料通常是Co， Ni和铁基合金，碳化物和 氧化铝陶瓷等，材料的形 式一般为粉末、丝材或者 板材，基体材料一般为钢， 铸铁，不锈钢和铝等。熔 覆材料也可以预先涂覆。 熔覆材料和基体材料 达到冶金结合但又要求只 受到最小的稀释，从而提 供良好的磨损和腐蚀抗力。
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2.离子束表面改性
定义：离子注入是将某种元素的原子进行电离，并使其在电 场中加速，在获得较高速度后射入固体材料表面，以改变这 种材料表面的物理、化学及力学性能的一种离子束技术。 应用对象：主要是金属固体，如钢、硬质合金、钛合金、铬 和铝等材料。应用最广泛的金属材料是钢铁材料和钛合金。 但是，用离子注入方法强化面心立方晶格材料是困难的。 注入的离子：Ni、Ti、Cr、Ta、Cd、B、N、He等的离子。 经离子注入后可大大改善基体的耐磨性、耐蚀性、耐疲 劳性和抗氧化性。
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激光束与材料表面的相互作用： 激光照射到材料表面； 激光被材料所吸收而转化为热能； 表层材料受热升温；
发生固态转变，熔化甚至蒸发；
材料在激光作用后冷却。
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激光表面改性技术的优点： 1）激光表面改性层稀释率低，且既可是多组元的化合物层， 也可以是具有多种性能匹配的梯度涂层； 2）激光表面改性层厚度容易调节，并可采用机加工的方式 控制表面精度；
强流氮和强流金属离子束的束流强度可达5-50mA，提高了注入效 率；
离子注入不改变工件尺寸，适用于精密零件的表面处理；
子束增强沉积可获得厚度大于1μm的改性层或超硬层，可应用于 恶劣条件。
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·离子注入金属表面合金化机制
离子注入金属表面会改善材料的耐磨性、耐蚀性、硬度、疲劳 寿命和抗氧化性等。以下从微观角度分析离子注人改善性能的机制:
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·离子注入的原理 入射离子经过与电子、原子若干次碰撞后，自身的能量几乎 耗尽而停止运动，在材料中的一定深度处停留下来，成为材料 中的一种杂质原子留在固体中（图右侧注入处）。
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·离子束金属材料表面改性技术优点：
注入的元素可以任意选取； 无需改变材料的整体特性，就可有选择地改变材料的表面特性； 注入或添加到基体中的原子不受基体固溶度的限制，不受扩散系 数和化合结合力的影响；
激光熔覆
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2）激光表面合金化处理（LSA） 利用高能量的激光束将基体材料和加入的合金化粉末一起熔 化后快速凝固，从而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。

辐照损伤强化。离子注入产生的辐照损伤增加了各种缺陷的密度，
改变了正常的晶格原子的排列。同时，注入元素离子阻止位错滑移， 从而使表面层强化并降低表面疲劳裂纹的形成可能性，但对疲劳裂 纹的扩展影响不大 。

固溶强化。离子注入可获得过饱和度很大的固溶体，固溶强化效果
较强。而且注入离子对位错的钉扎作用也使材料得到强化。
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沉淀强化 。注入元素可能与基体材料中的元素形成各种化合物， 有可能形成TiC微粒沉淀。 非晶态化 。当离子注入的量达到一定值时，可使基体金属形成非 晶态表面层。因此可降低钢的摩擦系数，提高耐磨性。由于非晶态表 面没有晶界等缺陷，可显著提高耐蚀性能。 残余压应力 。离子注入可产生很高的残余压应力，有利于提高材 料表层的耐磨性和疲劳性能。 表面氧化膜的作用 。离子注入引起温度升高和元素扩散的增加， 使氧化膜增厚和改性，从而降低摩擦系数；通过改变注入的离子种类 可改变氧化膜的性质，如氧化膜的致密性、塑性和导电性等。
激光表面合金化技术示意图
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3）激光相变硬化(LTH） 铁基合金激光相变硬化是在固
态下经受激光辐照，其表层被迅速
加热至奥氏体化温度以上，并在激 光停止辐照后快速自激淬火得到马
氏体组织的一种工艺方法。
LTH适用于珠光体灰铸铁、铁素体灰铸铁、球墨铸铁、碳钢、 合金钢和马氏体不锈钢等。硬化层深度一般在0.5-1.0mm。
金属的表面改性
姓名：崔珊 学号：2014131026
表面改性技术
表面技术提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某 种功能特性的主要途径：施加各种覆盖层和采用各种表面改 性技术。
表面改性技术 用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化 学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，使材料 表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
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使表面离子注入层产生沉淀强化。如钛离子注入含有C的钢或合金中，
·离子注入应用现状 目前，离子注入在微电子技术、生物工程、宇航、医 疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其是在工具和 模具制造工业的应用效果突出。 但从目前的技术水平看，还存在一些缺点，如注入层 薄(〈1nm)；离子只能直线行进，不能绕行，对于复杂的 和有内孔的零件不能进行离子注入，设备造价高，所以应 用还不广泛。
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激光相变硬化的主要目的为： 增加硬度和强度，减低磨损和提高疲劳寿命，以及
对马氏体不锈钢进行再行淬硬和产生表面碳化物等。
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较，激光 相变后材料硬度提高15%-20%。
3）激光表面改性层与基体呈牢固的冶金结合，不会出现剥 落现象；
4）激光表面改性处理速度快，热影响区小，不会引起基材 性能和尺寸变化。
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激光表面来自百度文库性技术的分类：
1）激光熔覆（LSC）
2）激光表面合金化处理（LSA） 3）激光相变硬化(LTH） 4）激光表面熔融处理（LSM）
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谢 谢！
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4）激光表面熔融处理（LSM） 采用近于聚焦的激光束对材料的表面进行辐照，使之 熔化，然后依靠热传导快速冷却并凝固。凝固的冷却速度 可达到100-106℃/s，激光熔融处理后得到的组织有非晶 组织，固溶度增大的固溶体，超细共晶组织及细树枝晶结 构，具体情况视工艺参数而定。 激光晶粒细化是应用LSM使材料组织细化并改善表 面质量提高机械性能的一种工艺方法，特别适用于铸造 合金。
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常用的金属表面改性技术主要有： 1.激光表面改性
2.离子束表面改性
3.金属表面涂塑 4.气相沉积硬涂层技术 5.化学热处理表面改性
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1.激光表面改性
定义：利用激光束极快地加热工件表面，改变材料表面的结 构，从而使材料表层的物理、化学、力学性能发生变化的方 法。
激光的特性:与普通光相比，激光具有高度度的单色性、 方向性、亮度性、相干性和极大的能量密度。对金属材料 表面改性而言，激光是一种聚焦性好、功率密度高、易于 控制、能在大气中远距离传输的热源。