表格模板-第9章高能束表面改性技术 精品.ppt

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1、第第9章章 高能束表面改性技术高能束表面改性技术n 激光束、离子束、电子束激光束、离子束、电子束n 共同特征：供给材料表面的能量密度共同特征：供给材料表面的能量密度103W/cm2。 功率密度高，作用时间短，易于获得亚稳态组织。功率密度高，作用时间短，易于获得亚稳态组织。 非接触式加热，热应力小，工件变形小。非接触式加热，热应力小，工件变形小。 可控性好，处理环境清洁，污染小。可控性好，处理环境清洁，污染小。高能束的特点高能束的特点利用激光束、电子束可获得极高的加热利用激光束、电子束可获得极高的加热（10104 4-10-106 6K/sK/s），），和冷和冷却速度却速度（10109 9-10

2、-101111K/sK/s），从而可制成微晶、非晶及其它，从而可制成微晶、非晶及其它一些热一些热平衡相图上不存在的高度过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋予平衡相图上不存在的高度过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋予材料表面以特殊的性能。材料表面以特殊的性能。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。的限制。采用高能束流进行表面改性主要包括：采用高能束流进行表面改性主要包括：9.1 激光表面改性技术激光表面改性技术美国机载激光

3、武器已经完成了美国机载激光武器已经完成了8次次飞行测试飞行测试3D打印技术打印技术n激光束表面处理：激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。种表面处理技术。激光照射到材料表面激光照射到材料表面被材料吸收变为热能被材料吸收变为热能表层材料受热升温表层材料受热升温固态相变固态相变/ /熔化熔化/ /蒸发蒸发激光作用后材料冷却激光作用后材料冷却激光与材料表面的相互作用激光与材料表面的相互作用金属激光强化处理金属激光强化处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变硬化相变硬化非晶化非晶化晶粒细化晶粒细化冲击硬化冲击硬化激光表面改性技术激光

4、表面改性技术激光在表面技术领域应用激光在表面技术领域应用激光在表面技术领域应用激光在表面技术领域应用n 作用时间作用时间1010-4-4s s左右，功率密度在左右，功率密度在10102 2W/mmW/mm2 2时，作用于金属表面主要产生温升相变时，作用于金属表面主要产生温升相变：激光相变硬化；：激光相变硬化；n 作用时间在作用时间在1010-3-31s1s之间，聚焦功率密度在之间，聚焦功率密度在10102 210104 4W/mmW/mm2 2时，金属表面熔化，用时，金属表面熔化，用于熔凝、焊接、合金化和熔敷。于熔凝、焊接、合金化和熔敷。n 作用时间在作用时间在1010-6-6s s，聚焦功率

5、密度增加到，聚焦功率密度增加到10106 6-10-109 9W/mmW/mm2 2时，主要用于激光表面非晶时，主要用于激光表面非晶化、冲击硬化。化、冲击硬化。熔化不熔化n 能量集中，热效应只集中在材料表面很薄的区域内。能量集中，热效应只集中在材料表面很薄的区域内。从从0.25m0.25m紫外到紫外到10.6m10.6m红外波段，光波在各种金属中的穿红外波段，光波在各种金属中的穿透深度只达到透深度只达到10nm10nm数量级数量级 对金属表面状况极为敏感对金属表面状况极为敏感材料对激光吸收的基本特点材料对激光吸收的基本特点n 金属对红外激光的吸收率：金属对红外激光的吸收率： 钢：抛光后，吸收率

6、钢：抛光后，吸收率5.0%5.0%，铣削后，铣削后Ra2.5mRa2.5m，吸收率，吸收率18%18%，喷砂，喷砂后，后，35%35%，600600氧化氧化2 2小时，吸收率可达小时，吸收率可达74%74%。 Al:Al:抛光状态，吸收率抛光状态，吸收率3.4%3.4%，600600氧化氧化2 2小时，吸收率可达小时，吸收率可达50%50%。 工件表面黑化处理：涂覆胶体石墨、硫化表面等，吸收率工件表面黑化处理：涂覆胶体石墨、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透过透过E E0 0=E=E吸收吸收+E+E反射反射不透明材料不透明材料9.

7、1.1 激光束表面相变硬化激光束表面相变硬化 n 在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。的一种工艺。n 特点：特点： 加热速度快（可达加热速度快（可达10105 5K/sK/s） ，输入热量少、变形量极，输入热量少、变形量极小、基本不破坏表面光洁度小、基本不破坏表面光洁度。 冷却速度快（可达冷却速度快（可达10109 9K/sK/s），淬火组织细、工件表面），淬火组织细、工件表面强度比常规淬火提高强度比常规淬火提高5-20%5-2

8、0%。 依靠金属自身冷却，无需冷却介质、冷却特性良好。依靠金属自身冷却，无需冷却介质、冷却特性良好。 选择性局部表面淬火，硬化层深度、范围可控，可处选择性局部表面淬火，硬化层深度、范围可控，可处理内孔、沟槽等复杂形状部位。理内孔、沟槽等复杂形状部位。u超快速加热使奥氏体形核率大大增加，奥氏体形成超快速加热使奥氏体形核率大大增加，奥氏体形成时间极短，晶粒来不及长大，因此奥氏体显著细化时间极短，晶粒来不及长大，因此奥氏体显著细化（必然带来随后快冷的（必然带来随后快冷的淬火组织极为细化淬火组织极为细化）。）。激光固态相变硬化的条状马氏体激光固态相变硬化的条状马氏体 4545号钢激光固态相变硬化号钢激

9、光固态相变硬化u 激光淬硬时，钢的微观组织中晶体缺陷和晶格畸变远高激光淬硬时，钢的微观组织中晶体缺陷和晶格畸变远高于普通淬火，从而也显著提高表层硬度。于普通淬火，从而也显著提高表层硬度。 例如例如45钢，一般淬火，位错密度钢，一般淬火，位错密度108条条/cm2，激光淬火，激光淬火，位错密度位错密度10101012条条/cm2。位错密度提高。位错密度提高24个数量级，抵个数量级，抵抗塑性变形能力加强，即反映为硬度提高。抗塑性变形能力加强，即反映为硬度提高。u激光表面淬硬的根本机制是利用了激光表面淬硬的根本机制是利用了快速加热奥氏体化及快速加热奥氏体化及快冷快冷的动力学特点，充分发挥了的动力学特

10、点，充分发挥了晶粒细化，固溶强化，晶粒细化，固溶强化，弥散强化、相变硬化弥散强化、相变硬化等强化机制的作用。等强化机制的作用。激光相变硬化应用实例激光相变硬化应用实例激光相变硬化应用实例激光相变硬化应用实例轮船发动机缸体激光淬火轮船发动机缸体激光淬火发动机缸体内壁激光相变硬化发动机缸体内壁激光相变硬化激光相变硬化应用实例激光相变硬化应用实例9.1.2激光表面熔凝处理激光表面熔凝处理激光熔凝处理后横截面组激光熔凝处理后横截面组织示意图织示意图T10T10钢激光熔凝层显微硬钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布度沿淬硬层深度的分布n 利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅利用能量密度很

11、高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，获得非常细密熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，获得非常细密的快速凝固非平衡组织。的快速凝固非平衡组织。普通碳钢：熔凝处理在结晶过程中，普通碳钢：熔凝处理在结晶过程中，奥氏体从液固界面向表面快速生长，奥氏体从液固界面向表面快速生长，形成定向排列的柱状晶结构，形成定向排列的柱状晶结构，固态相固态相变时奥氏体呈等轴晶结构不同。变时奥氏体呈等轴晶结构不同。v 例例45钢激光表面固态淬硬，可达钢激光表面固态淬硬，可达HRC 56

12、58v 激光快速熔凝强化，可达激光快速熔凝强化，可达HRC 5860v一类是不发生组织的根本变化，仅仅是快速熔凝造成一类是不发生组织的根本变化，仅仅是快速熔凝造成晶粒结构变化。晶粒结构变化。激光激光熔凝强化机制熔凝强化机制45钢激光熔凝层钢激光熔凝层(上上) 和热影响区和热影响区(下下)v另一类快速熔凝处理后，获得了与固态相变硬化完全另一类快速熔凝处理后，获得了与固态相变硬化完全不同的表层组织，从而根本改变了性能。不同的表层组织，从而根本改变了性能。l典型例子是铸铁典型例子是铸铁，铸铁件表层组织全由珠光体，铸铁件表层组织全由珠光体+G（石（石墨）构成，硬度只有墨）构成，硬度只有HRC2028；

13、l激光熔凝得到白口表层，且莱氏体生长方向指向表面激光熔凝得到白口表层，且莱氏体生长方向指向表面，硬度至少达到硬度至少达到HRC 5052，从而显著强化。，从而显著强化。铸铁的激光熔凝组织铸铁的激光熔凝组织制药机械零部件激光熔凝强化制药机械零部件激光熔凝强化挤管模具内表面激光熔凝强化挤管模具内表面激光熔凝强化激光熔凝应用实例激光熔凝应用实例激光熔凝应用实例激光熔凝应用实例50CrMo轧辊经激光熔凝后过钢量提高轧辊经激光熔凝后过钢量提高50%80%9.1.3激光熔覆激光熔覆n将粉末状的金属、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表面，用大将粉末状的金属、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

14、部熔化，同时金属基体表面有功率密度激光束照射使之全部熔化，同时金属基体表面有微量熔融。激光束移开后，表面迅速凝固，形成与金属基微量熔融。激光束移开后，表面迅速凝固，形成与金属基体粘的很牢的熔覆层。体粘的很牢的熔覆层。n熔覆材料：熔覆材料：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。n熔覆工艺：熔覆工艺：预置式激光熔覆预置式激光熔覆 同步式激光熔覆同步式激光熔覆预置式激光熔覆预置式激光熔覆 同步式激光熔覆同步式激光熔覆侧向送粉法侧向送粉法 同轴送粉法同轴送粉法同步式激光熔覆工艺方法同步式激光熔覆工艺方法n激光熔覆的优点：激光熔覆的优点：冶金结合；冶金结合；加热速度

15、很快，涂层稀释率低；加热速度很快，涂层稀释率低；热影响区小，工件变形小；热影响区小，工件变形小；熔敷层晶粒细小，结构致密，耐磨耐蚀性能更好。熔敷层晶粒细小，结构致密，耐磨耐蚀性能更好。激光熔敷激光熔敷Ni60Ni60激光熔覆与类似方法的比较激光熔覆与类似方法的比较n 机械咬合机械咬合n 结合力差结合力差n 稀释率高稀释率高n 性能差性能差n 低稀释率低稀释率n 冶金结合，质量好冶金结合，质量好热喷涂涂层热喷涂涂层堆焊涂层堆焊涂层激光熔敷涂层激光熔敷涂层激光熔覆涂层及应用激光熔覆涂层及应用n激光熔覆合成自润滑耐磨涂层激光熔覆合成自润滑耐磨涂层提高耐磨性：提高耐磨性：提高材料表面的硬度提高材料表面

16、的硬度提高表面光洁度提高表面光洁度采用润滑剂采用润滑剂采用采用CrCr3 3C C2 2提高涂层耐磨性提高涂层耐磨性采用采用WSWS2 2作为固体润滑材料，作为固体润滑材料，降低摩擦系数。降低摩擦系数。n提高抗氧化性提高抗氧化性- -激光熔覆激光熔覆TiVCrAlSiTiVCrAlSi高熵合金涂层高熵合金涂层n提高生物相容性提高生物相容性- -激光熔覆原位合成羟基磷灰石（激光熔覆原位合成羟基磷灰石（HAHA）涂层）涂层羟基磷灰石羟基磷灰石CaCa1010（POPO4 4）6 6（OHOH）2 2具有具有优良的生物相容性和生物活性，但非优良的生物相容性和生物活性，但非常脆，机械性能差。常脆，机械性能差。钛合金强度好，但生物相容性和生物钛合金强度好，但生物相容性和生物活性差。活性差。用用HAHA对钛合金表面改性对钛合金表面改性制备方法：制备方法：TA2TA2钛合金作为基材，钛合金作为基材，CaCOCaCO3 3和和CaHPOCaHPO4 42H2H2 2O O作为原料。作为原料。钛合金钛合金50%50%钛粉钛粉+ CaCO+ CaCO3 3/CaHPO/CaHPO4 42H2H2 2OOC