1、1第第9章章 高能束表面改性技術高能束表面改性技術2n 激光束、離子束、電子束激光束、離子束、電子束n 共同特征：供給材料表面的能量密度共同特征：供給材料表面的能量密度103W/cm2。 功率密度高，作用時間短，易于獲得亞穩態組織。功率密度高，作用時間短，易于獲得亞穩態組織。 非接觸式加熱，熱應力小，工件變形小。非接觸式加熱，熱應力小，工件變形小。 可控性好，處理環境清潔，污染小。可控性好，處理環境清潔，污染小。高能束的特點高能束的特點3利用激光束、電子束可獲得極高的加熱（利用激光束、電子束可獲得極高的加熱（10104 4-10-106 6K/sK/s），和冷），和冷卻速度（卻速度（10109

2、 9-10-101111K/sK/s），從而可制成微晶、非晶及其它一些熱），從而可制成微晶、非晶及其它一些熱平衡相圖上不存在的高度過飽和固溶體和亞穩合金，從而賦予平衡相圖上不存在的高度過飽和固溶體和亞穩合金，從而賦予材料表面以特殊的性能。材料表面以特殊的性能。利用離子注入技術可把異類原子直接引入表面層中進行表面合利用離子注入技術可把異類原子直接引入表面層中進行表面合金化，引入的原子種類和數量不受任何常規合金化熱力學條件金化，引入的原子種類和數量不受任何常規合金化熱力學條件的限制。的限制。采用高能束流進行表面改性主要包括：采用高能束流進行表面改性主要包括：49.1 激光表面改性技術激光表面改性技

3、術美國機載激光武器已經完成了美國機載激光武器已經完成了8次次飛行測試飛行測試3D打印技術打印技術5n激光束表面處理：激光束表面處理：采用激光對材料表面進行改性的一采用激光對材料表面進行改性的一種表面處理技術。種表面處理技術。激光照射到材料表面激光照射到材料表面被材料吸收變為熱能被材料吸收變為熱能表層材料受熱升溫表層材料受熱升溫固態相變固態相變/ /熔化熔化/ /蒸發蒸發激光作用后材料冷卻激光作用后材料冷卻激光與材料表面的相互作用激光與材料表面的相互作用6金屬激光強化處理金屬激光強化處理不熔化不熔化熔化熔化汽化汽化合金化合金化熔敷熔敷相變硬化相變硬化非晶化非晶化晶粒細化晶粒細化沖擊硬化沖擊硬化激

4、光表面改性技術激光表面改性技術激光在表面技術領域應用激光在表面技術領域應用7激光在表面技術領域應用激光在表面技術領域應用n 作用時間作用時間1010-4-4s s左右，功率密度在左右，功率密度在10102 2W/mmW/mm2 2時，作用于金屬表面主要產生溫升相變時，作用于金屬表面主要產生溫升相變：激光相變硬化；：激光相變硬化；n 作用時間在作用時間在1010-3-31s1s之間，聚焦功率密度在之間，聚焦功率密度在10102 210104 4W/mmW/mm2 2時，金屬表面熔化，用時，金屬表面熔化，用于熔凝、焊接、合金化和熔敷。于熔凝、焊接、合金化和熔敷。n 作用時間在作用時間在1010-6

5、-6s s，聚焦功率密度增加到，聚焦功率密度增加到10106 6-10-109 9W/mmW/mm2 2時，主要用于激光表面非晶時，主要用于激光表面非晶化、沖擊硬化。化、沖擊硬化。熔化不熔化8n 能量集中，熱效應只集中在材料表面很薄的區域內。能量集中，熱效應只集中在材料表面很薄的區域內。從從0.25m0.25m紫外到紫外到10.6m10.6m紅外波段，光波在各種金屬中的穿紅外波段，光波在各種金屬中的穿透深度只達到透深度只達到10nm10nm數量級數量級 對金屬表面狀況極為敏感對金屬表面狀況極為敏感材料對激光吸收的基本特點材料對激光吸收的基本特點n 金屬對紅外激光的吸收率：金屬對紅外激光的吸收率

6、： 鋼：拋光后，吸收率鋼：拋光后，吸收率5.0%5.0%，銑削后，銑削后Ra2.5mRa2.5m，吸收率，吸收率18%18%，噴砂后，噴砂后，35%35%，600600氧化氧化2 2小時，吸收率可達小時，吸收率可達74%74%。 Al:Al:拋光狀態，吸收率拋光狀態，吸收率3.4%3.4%，600600氧化氧化2 2小時，吸收率可達小時，吸收率可達50%50%。 工件表面黑化處理：涂覆膠體石墨、硫化表面等，吸收率工件表面黑化處理：涂覆膠體石墨、硫化表面等，吸收率75-83%75-83%。E E0 0=E=E吸收吸收+E+E反射反射+E+E透過透過E E0 0=E=E吸收吸收+E+E反射反射不透

7、明材料不透明材料99.1.1 激光束表面相變硬化激光束表面相變硬化 n 在固態下經受激光輻照，其表層被迅速加熱到奧氏體溫在固態下經受激光輻照，其表層被迅速加熱到奧氏體溫度以上，并在激光停止輻射后快速淬火得到馬氏體組織度以上，并在激光停止輻射后快速淬火得到馬氏體組織的一種工藝。的一種工藝。n 特點：特點： 加熱速度快（可達加熱速度快（可達10105 5K/sK/s） ，輸入熱量少、變形量極，輸入熱量少、變形量極小、基本不破壞表面光潔度小、基本不破壞表面光潔度。 冷卻速度快（可達冷卻速度快（可達10109 9K/sK/s），淬火組織細、工件表面），淬火組織細、工件表面強度比常規淬火提高強度比常規淬

8、火提高5-20%5-20%。 依靠金屬自身冷卻，無需冷卻介質、冷卻特性良好。依靠金屬自身冷卻，無需冷卻介質、冷卻特性良好。 選擇性局部表面淬火，硬化層深度、范圍可控，可處選擇性局部表面淬火，硬化層深度、范圍可控，可處理內孔、溝槽等復雜形狀部位。理內孔、溝槽等復雜形狀部位。10u超快速加熱使奧氏體形核率大大增加，奧氏體形成超快速加熱使奧氏體形核率大大增加，奧氏體形成時間極短，晶粒來不及長大，因此奧氏體顯著細化時間極短，晶粒來不及長大，因此奧氏體顯著細化（必然帶來隨后快冷的（必然帶來隨后快冷的淬火組織極為細化淬火組織極為細化）。）。激光固態相變硬化的條狀馬氏體激光固態相變硬化的條狀馬氏體 4545

9、號鋼激光固態相變硬化號鋼激光固態相變硬化11u 激光淬硬時，鋼的微觀組織中晶體缺陷和晶格畸變遠高激光淬硬時，鋼的微觀組織中晶體缺陷和晶格畸變遠高于普通淬火，從而也顯著提高表層硬度。于普通淬火，從而也顯著提高表層硬度。 例如例如45鋼，一般淬火，位錯密度鋼，一般淬火，位錯密度108條條/cm2，激光淬火，激光淬火，位錯密度位錯密度10101012條條/cm2。位錯密度提高。位錯密度提高24個數量級，個數量級，抵抗塑性變形能力加強，即反映為硬度提高。抵抗塑性變形能力加強，即反映為硬度提高。u激光表面淬硬的根本機制是利用了激光表面淬硬的根本機制是利用了快速加熱奧氏體化及快速加熱奧氏體化及快冷快冷的動

10、力學特點，充分發揮了的動力學特點，充分發揮了晶粒細化，固溶強化，晶粒細化，固溶強化，彌散強化、相變硬化彌散強化、相變硬化等強化機制的作用。等強化機制的作用。12激光相變硬化應用實例激光相變硬化應用實例1314激光相變硬化應用實例激光相變硬化應用實例15輪船發動機缸體激光淬火輪船發動機缸體激光淬火16發動機缸體內壁激光相變硬化發動機缸體內壁激光相變硬化激光相變硬化應用實例激光相變硬化應用實例179.1.2激光表面熔凝處理激光表面熔凝處理激光熔凝處理后橫截面組激光熔凝處理后橫截面組織示意圖織示意圖T10T10鋼激光熔凝層顯微硬鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布度沿淬硬層深度的分布n 利用能量密

11、度很高的激光束在金屬表面連續掃描，使之迅利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續掃描，使之迅速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使熔池中的金屬液以極高的速度冷卻、凝固，獲得非常細密熔池中的金屬液以極高的速度冷卻、凝固，獲得非常細密的快速凝固非平衡組織。的快速凝固非平衡組織。18普通碳鋼：熔凝處理在結晶過程中，普通碳鋼：熔凝處理在結晶過程中，奧氏體從液固界面向表面快速生長，奧氏體從液固界面向表面快速生長，形成定向排列的柱狀晶結構，形成定向排列的柱狀晶結構，固態相固態相變時奧氏體呈等軸晶結構不同。變時奧氏體呈等軸晶結構不同。v 例例45鋼

12、激光表面固態淬硬，可達鋼激光表面固態淬硬，可達HRC 5658v 激光快速熔凝強化，可達激光快速熔凝強化，可達HRC 5860v一類是不發生組織的根本變化，僅僅是快速熔凝造成一類是不發生組織的根本變化，僅僅是快速熔凝造成晶粒結構變化。晶粒結構變化。激光激光熔凝強化機制熔凝強化機制45鋼激光熔凝層鋼激光熔凝層(上上) 和熱影響區和熱影響區(下下)19v另一類快速熔凝處理后，獲得了與固態相變硬化完全另一類快速熔凝處理后，獲得了與固態相變硬化完全不同的表層組織，從而根本改變了性能。不同的表層組織，從而根本改變了性能。l典型例子是鑄鐵典型例子是鑄鐵，鑄鐵件表層組織全由珠光體，鑄鐵件表層組織全由珠光體+

13、G（石（石墨）構成，硬度只有墨）構成，硬度只有HRC2028；l激光熔凝得到白口表層，且萊氏體生長方向指向表面激光熔凝得到白口表層，且萊氏體生長方向指向表面，硬度至少達到硬度至少達到HRC 5052，從而顯著強化。，從而顯著強化。鑄鐵的激光熔凝組織鑄鐵的激光熔凝組織20制藥機械零部件激光熔凝強化制藥機械零部件激光熔凝強化擠管模具內表面激光熔凝強化擠管模具內表面激光熔凝強化激光熔凝應用實例激光熔凝應用實例21激光熔凝應用實例激光熔凝應用實例50CrMo軋輥經激光熔凝后過鋼量提高軋輥經激光熔凝后過鋼量提高50%80%229.1.3激光熔覆激光熔覆n將粉末狀的金屬、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表面，用大

14、將粉末狀的金屬、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表面，用大功率密度激光束照射使之全部熔化，同時金屬基體表面有功率密度激光束照射使之全部熔化，同時金屬基體表面有微量熔融。激光束移開后，表面迅速凝固，形成與金屬基微量熔融。激光束移開后，表面迅速凝固，形成與金屬基體粘的很牢的熔覆層。體粘的很牢的熔覆層。23n熔覆材料：熔覆材料：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復合材料。鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復合材料。n熔覆工藝：熔覆工藝：預置式激光熔覆預置式激光熔覆 同步式激光熔覆同步式激光熔覆預置式激光熔覆預置式激光熔覆 同步式激光熔覆同步式激光熔覆24側向送粉法側向送粉法 同軸送粉法同軸送粉法同步式激光熔覆工藝方法同

15、步式激光熔覆工藝方法25n激光熔覆的優點：激光熔覆的優點：冶金結合；冶金結合；加熱速度很快，涂層稀釋率低；加熱速度很快，涂層稀釋率低；熱影響區小，工件變形小；熱影響區小，工件變形小；熔敷層晶粒細小，結構致密，耐磨耐蝕性能更好。熔敷層晶粒細小，結構致密，耐磨耐蝕性能更好。激光熔敷激光熔敷Ni60Ni6026激光熔覆與類似方法的比較激光熔覆與類似方法的比較n 機械咬合機械咬合n 結合力差結合力差n 稀釋率高稀釋率高n 性能差性能差n 低稀釋率低稀釋率n 冶金結合，質量好冶金結合，質量好熱噴涂涂層熱噴涂涂層堆焊涂層堆焊涂層激光熔敷涂層激光熔敷涂層27激光熔覆涂層及應用激光熔覆涂層及應用n激光熔覆合成

16、自潤滑耐磨涂層激光熔覆合成自潤滑耐磨涂層提高耐磨性：提高耐磨性：提高材料表面的硬度提高材料表面的硬度提高表面光潔度提高表面光潔度采用潤滑劑采用潤滑劑采用采用CrCr3 3C C2 2提高涂層耐磨性提高涂層耐磨性采用采用WSWS2 2作為固體潤滑材料，作為固體潤滑材料，降低摩擦系數。降低摩擦系數。28n提高抗氧化性提高抗氧化性- -激光熔覆激光熔覆TiVCrAlSiTiVCrAlSi高熵合金涂層高熵合金涂層29n提高生物相容性提高生物相容性- -激光熔覆原位合成羥基磷灰石（激光熔覆原位合成羥基磷灰石（HAHA）涂層）涂層羥基磷灰石羥基磷灰石CaCa1010（POPO4 4）6 6（OHOH）2

17、2具有具有優良的生物相容性和生物活性，但非優良的生物相容性和生物活性，但非常脆，機械性能差。常脆，機械性能差。鈦合金強度好，但生物相容性和生物鈦合金強度好，但生物相容性和生物活性差。活性差。用用HAHA對鈦合金表面改性對鈦合金表面改性制備方法：制備方法：TA2TA2鈦合金作為基材，鈦合金作為基材，CaCOCaCO3 3和和CaHPOCaHPO4 42H2H2 2O O作為原料。作為原料。鈦合金鈦合金50%50%鈦粉鈦粉+ CaCO+ CaCO3 3/CaHPO/CaHPO4 42H2H2 2OOCaCOCaCO3 3/CaHPO/CaHPO4 42H2H2 2O O采用激光熔敷的方式觸發反應原

18、位合成采用激光熔敷的方式觸發反應原位合成HAHA4CaCO4CaCO3 3+6 CaHPO+6 CaHPO4 42H2H2 2O OCaCa1010（POPO4 4）6 6（OHOH）2 2+4CO+4CO2 2+14H+14H2 2O O30熔敷層和過渡層，過渡層和基材結合良好，無明顯缺陷。熔敷層和過渡層，過渡層和基材結合良好，無明顯缺陷。細胞培養實驗，鈦合金表面細胞呈梭形，聚集在一起，細胞培養實驗，鈦合金表面細胞呈梭形，聚集在一起，HAHA表面細胞鋪展開來并相互連接，生物相容性好。表面細胞鋪展開來并相互連接，生物相容性好。31鈦合金主要用來制造高的強度鈦合金主要用來制造高的強度/ /質量比

19、、耐熱和耐腐蝕質量比、耐熱和耐腐蝕的零部件，但耐磨性不足。的零部件，但耐磨性不足。采用激光熔敷制備耐磨耐熱涂層及鈦合金葉片的修復。采用激光熔敷制備耐磨耐熱涂層及鈦合金葉片的修復。n激光熔覆術在航空領域的應用激光熔覆術在航空領域的應用磨損后的磨損后的Ti6Al4V飛機葉片飛機葉片激光熔敷修復激光熔敷修復模擬計算模擬計算32許多金屬零部件長期處于承受重載狀態，同時還有嚴許多金屬零部件長期處于承受重載狀態，同時還有嚴重的腐蝕和磨損現象，導致金屬零部件易損害，所以重的腐蝕和磨損現象，導致金屬零部件易損害，所以金屬零部件需要具有高硬度、高強度、高耐蝕性等各金屬零部件需要具有高硬度、高強度、高耐蝕性等各種

20、性能，才能長期應用于惡劣環境。種性能，才能長期應用于惡劣環境。n激光熔覆術在石油領域的應用激光熔覆術在石油領域的應用339.1.4 激光合金化激光合金化 激光合金化電機軸激光合金化電機軸利用激光束將一種或多種合金元素快速熔入基體表面，利用激光束將一種或多種合金元素快速熔入基體表面，從而使基體表層具有特定的合金成分的技術。從而使基體表層具有特定的合金成分的技術。34n激光合金化的優點激光合金化的優點n利用激光的深聚焦，在不規則的零件上可得到均勻的合利用激光的深聚焦，在不規則的零件上可得到均勻的合金化深度；金化深度；n能準確地控制功率密度和控制加熱深度，從而減小變形；能準確地控制功率密度和控制加熱

21、深度，從而減小變形；n這種快速熔化、凝固的非平衡過程，可形成具有特殊性這種快速熔化、凝固的非平衡過程，可形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒細化，提高合金元素的固溶度和改能的非平衡相、晶粒細化，提高合金元素的固溶度和改善鑄造零件的成分偏析。善鑄造零件的成分偏析。n激光熔覆與激光合金化區別：基體熔化程度不同激光熔覆與激光合金化區別：基體熔化程度不同激光熔覆基體微熔而添加物全熔，基體對表層合金的稀激光熔覆基體微熔而添加物全熔，基體對表層合金的稀釋率小，獲得具有原來特性和功能的強化層。釋率小，獲得具有原來特性和功能的強化層。激光合金化是將合金元素熔入基體表面，對基體材料進激光合金化是將合金元素熔入基體表

22、面，對基體材料進行表面改性。行表面改性。359.1.5激光清洗技術激光清洗技術 用功率密度很高（用功率密度很高（1081011w/cm2）的激光束，在極短）的激光束，在極短的脈沖持續時間內（的脈沖持續時間內（10-910-3s）照射金屬表面使表面的污）照射金屬表面使表面的污物、顆粒、銹斑等附著物很快物、顆粒、銹斑等附著物很快氣化氣化，從而達到潔凈化的工，從而達到潔凈化的工藝過程。藝過程。干式清洗干式清洗不損傷基不損傷基材表面材表面綠色清洗綠色清洗工藝工藝36激光紋身清洗激光紋身清洗37油脂清洗油脂清洗389.2 9.2 離子束表面改性離子束表面改性n 在離子注入機中把各種所需的離子（如在離子注

23、入機中把各種所需的離子（如N N+ +、C C+ +、O O+ +、CrCr+ +、NiNi+ +、TiTi+ +、AgAg+ +等金屬或非金屬離子）等金屬或非金屬離子）加速成具有幾萬甚至加速成具有幾萬甚至百萬電子伏特能量的載能束百萬電子伏特能量的載能束，并注入固體材料的表面層。，并注入固體材料的表面層。n 離子注入將引起材料表層的成分和結構的變化，由此導致離子注入將引起材料表層的成分和結構的變化，由此導致表面物理、化學或力學性能發生變化，達到表面改性的目表面物理、化學或力學性能發生變化，達到表面改性的目的。的。39離子注入系統的組成離子注入系統的組成n 離子源離子源n 磁分析器磁分析器n 加

24、速管加速管n 聚焦和掃聚焦和掃描系統描系統n 工藝腔工藝腔（靶室）（靶室） 從離子源引出的離子經磁體分析儀選擇出需要的離子，然后加速，從離子源引出的離子經磁體分析儀選擇出需要的離子，然后加速，經過兩維偏轉掃描器使離子束均勻的注入到材料表面經過兩維偏轉掃描器使離子束均勻的注入到材料表面 用電荷積分儀器可精確測量注入離子的數量，調節注入離子的能用電荷積分儀器可精確測量注入離子的數量，調節注入離子的能量可精確控制離子的注入深度。量可精確控制離子的注入深度。4041n典型應用：半導體的摻雜，摻雜離子的類型、深度、濃典型應用：半導體的摻雜，摻雜離子的類型、深度、濃度可以精確控制。度可以精確控制。42n表

25、面硬度、耐磨性、疲勞強度表面硬度、耐磨性、疲勞強度離子注入改性機理離子注入改性機理 固溶強化固溶強化 間隙原子固溶強化，注入層體積膨脹，應力間隙原子固溶強化，注入層體積膨脹，應力， 阻止位阻止位錯運動，硬度，耐磨性錯運動，硬度，耐磨性 析出相彌散強化析出相彌散強化 如：注入如：注入N N、C C、B B氮化物、碳化物、硼化物，彌散相，氮化物、碳化物、硼化物，彌散相， 硬度、耐磨性硬度、耐磨性 位錯釘扎位錯釘扎 大量的注入雜質聚集在因離子轟擊產生的位錯線的周大量的注入雜質聚集在因離子轟擊產生的位錯線的周圍，形成柯氏氣團，并在位錯線上形成許多位錯釘扎點，圍，形成柯氏氣團，并在位錯線上形成許多位錯釘

26、扎點，阻止位錯運動，改善抗磨性能。阻止位錯運動，改善抗磨性能。43n提高表面性能的基體材料及注入離子的種類提高表面性能的基體材料及注入離子的種類基體材料基體材料影響性能影響性能注入的離子注入的離子鋁合金鋁合金腐蝕腐蝕MoMo+ +硬度硬度N N+ +鈹合金鈹合金腐蝕、硬度腐蝕、硬度B B+ +陶瓷陶瓷硬度硬度Y Y+ +，N N+ +，ZrZr+ +，CrCr+ +磨損、韌性磨損、韌性O O+ +，N N+ +滲鈷碳化鎢滲鈷碳化鎢硬度、磨損硬度、磨損N N+ +，CoCo+ +鈦合金鈦合金腐蝕腐蝕N N+ +，C C+ +磨損、硬度磨損、硬度N N+ +，C C+ +，B B+ +摩擦摩擦SnSn+ +，AgAg+ +疲勞疲勞N N+ +，C C+ +449.3 9.3 電子束表面改性電子束表面改性n電子束表面改性原理電子束表面改性原理 當高速電子束照射到金屬表面時，電子能深入金屬表當高速電子束照射到金屬表面時，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發生相互作用，面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發生相互作用，