高能束表面改性講解課件

1、第四章 高能束表面改性 激光束 離子束能量密度高，加熱速度快 電子束美軍機載戰(zhàn)術激光武器成功擊中地面移動目標。高能激光束照射目標，并在其擋板上燒出了一個孔洞。第一節(jié) 激光表面改性一、分類二、特點 1. 改性層足夠厚（0.1-1.0mm） 注：氣相沉積一般為nm以及m級。 2. 結合強度因是冶金結合 3. 能量大而集中，作用時間短對基體影響小 4. 工藝簡單、操作靈活 激光功率、光斑大小以及掃描速度隨時可調(diào) 5. 自動化程度高生產(chǎn)效率高1.1 激光相變硬化一、原理 同一般鋼的淬火無差別 加熱（A化）冷卻（淬火，得到M） 硬化 問題是在特殊情況下（如亞共析、過共析鋼），極難獲得全M二、激光相變硬化

2、的特點 加熱速度 過熱度 時間短，晶粒來不及長大 （103-105/s） A形核率 極易全部A化 常規(guī)加熱：晶粒通常為8-10級，激光加熱：12級以上 淬火冷速（ 105/s） 得到全M組織 （基體自冷） 常規(guī)淬火，有先共析相或P析出 （激光加熱光斑極?。?先共析Fe3C，M中C量，硬度 顯微組織 亞共析：M M+F 心部原始組織(P+F) 過共析：M M+P 心部原始組織(P) 表層 次表層 心部 三、激光相變硬化的性能 硬度 M強化（C含量亦 ） 細晶強化 Hall-Pitch H=Hs+K/d1/2 抗疲勞性能 表面呈壓應力區(qū)，心部呈拉應力區(qū)。疲勞裂紋是由拉應力而產(chǎn)生。壓應力產(chǎn)生的原因

3、淬硬層A M時，體積膨脹，基體不變。使表層膨脹受約束而產(chǎn)生。四、激光淬火的金相組織及硬度（45鋼實例）五、激光相變硬化的工藝參數(shù) 工藝參數(shù)間的關系 激光淬火層的寬度主要決定于光斑直徑(D)，淬硬層深度(H)由激光功率(P)、光斑直徑和掃描速度(V)共同決定，主要關系為：H P/ ( D V ) 其中P/ ( D V )的物理意義為單位面積激光作用區(qū)注入的激光能量，稱為比能量，單位為J/cm2。描述激光淬火的另一個重要工藝參數(shù)為功率密度，即單位面積注入工件表面的功率密度。為了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104 W/cm2，一般為1000 6000 W/cm2。 關鍵參數(shù)對具體設備

4、，功率一定，關鍵是掃描速度 V V T達不到相變溫度 V T熔點變成激光熔凝 參數(shù)確定實驗這就是技術六、影響激光相變硬化的因素1. 材料成分 隨著鋼中碳含量的增加，激光相變硬化層的硬度愈高。2. 原始組織 細片狀P、回火M或A可得到的硬化層較深。球狀P只能得到較淺的硬化層，淬火態(tài)的基材硬化層最深3. 掃描速度 七、應用 優(yōu)點： 激光淬火具有加熱速度快、硬度高、變形小、淬火部位可控、不需淬火介質(zhì)、生產(chǎn)效率高、無氧化、無污染等優(yōu)點 1. 發(fā)動機汽缸 1978年，美國通用汽車公司建成了柴油機汽缸套激光淬火生產(chǎn)線。壽命3倍。 （10萬公里不漏油） 國內(nèi)也已建立了數(shù)十條激光淬火生產(chǎn)線。 螺旋掃描，可避免

5、產(chǎn)生回火軟化區(qū)。2.軋輥表面強化 軋輥表面激光淬火強化，使軋輥耐磨性提高一倍以上。 1.2 激光表面熔凝一、原理 利用激光束將基材表面加熱到熔化溫度以上, 然后快速冷卻并凝固結晶。二、特點 比激光淬火層的總硬化層深度要深、硬度要高、耐磨性也要好。 缺點是，基材表面的粗糙度較大，后續(xù)加工量大。三、應用 1. 耐磨性 2. 激光快速熔凝Ni-P合金，可以得到均勻的非晶態(tài)層。 1.3 激光表面合金化一、原理 利用激光將基體材料和加入的粉末一起熔化并均勻化后迅速凝固，在表面獲得新的合金成分與結構。二、熔化層成分的均勻化 控制成分均勻性的關鍵在于控制熔池橫截面的形狀因子，即合金化層的寬度與深度之比。而寬

6、度取決于光斑直徑，深度則取決于激光功率密度、掃描速度和合金元素加入方式與重量分數(shù)。 三、特點優(yōu)點： 1. 同激光表面淬火、激光表面熔凝相比，其表面性能的改性幅度較大。 2. 變材料的整體合金化為局部、表面合金化，可以大大節(jié)約貴金屬元素的用量。 缺點： 1. 因為它要求基材的熔化程度很高，要獲得同樣尺寸的表面改性層，需要的能量密度比激光熔覆時的大得多，需要的成本也就較高。 2. 改性幅度不如激光表面熔覆。 因此，在能滿足工藝要求的前提下，通常傾向于選擇效率更高的激光熔覆技術而非合金化，這是為什么迄今為止激光合金化在工業(yè)中成功應用得例子為數(shù)不多的主要原因。四、應用典型基材表面激光合金化層的性能 基

7、體材料添加的合金元素 性能 Fe, 45鋼、40Cr B HV 19502100 45, GCr15 MoS2, Cr, Cu 耐磨性提高2-5倍 Fe TiN, Al2O3 HV 2000 鉻 鋼 WC HV 2100 鉻 鋼TiC HV 1700 304不銹鋼 TiC HRC58 5052鋁 TiC TiC量為50%Vol時，耐磨性與標準耐磨材料相當 Ti合金 C、Si40%H2SO4溶液中耐蝕性提高了40-50% 1.4 激光表面熔覆 一、原理 相變硬化： 表面不熔 表面合金化：粉末全熔，基體有較深熔化，兩者全部混合 激光熔覆： 粉末全熔，基體表面微熔， 結合力二、激光熔覆粉末提供方式

8、(a) 預置涂層法 (b) 同步送粉法 預置粉末方式有粘結劑預涂覆、火焰噴涂、等離子噴涂、電鍍等 三、激光熔覆層截面示意圖及微觀組織 激光熔覆層截面示意圖 激光熔覆層橫截面組織(400 x) 由激光熔覆Co基合金層與基材結合區(qū)的橫截面組織形貌圖可見熔覆層中有大量的枝晶組織，與基材呈冶金結合。 四、激光熔覆的工藝參數(shù) 通過大量實驗，得到下列估算熔覆速度V的經(jīng)驗公式：V=abWV為熔覆速度（mm/s） W為單道熔覆寬度（mm）K=exp( T/1.8H)T為熔覆厚度（mm） H為單道熔覆厚度（mm）VH=dC=KWVK為搭接因子 c為單位時間內(nèi)的熔覆面積（mm2/s） a、b、d為常數(shù)，當激光功率

9、為3KW，光斑直徑為5mm時， a=57.36, b=10.81, d=5.17 實測與計算的關系：計算指導作用， 實測具體確定五、工藝參數(shù)間的相互關系不同光斑直徑下熔覆層厚度與寬度隨激光束掃描速度的變化規(guī)律(a)厚度H與掃描速度Vs的關系 (b)寬度W與掃描速度Vs的關系基材：A3鋼，合金粉：WF150；送粉速率Vg = 11.9g/min, 功率P = 2 kw光斑直徑分別為：曲線1, D1 = 4.5mm; 曲線2 , D2 = 5.0 mm; 曲線3, D3 =6.0 mm 掃描速度V ， 厚度H與寬度W 光斑直徑D ， 厚度H ，寬度W 六、典型基材表面激光熔覆工藝參數(shù) 基體材料 熔

10、覆材料 送粉方式 工藝參數(shù) （CO2激光 ）2Cr13鋼、18-8不銹 Ni-Cr-B-Si預置或 同步P=2kw, V=2-18 mm/s, D=5 mm A3鋼 Ni-Cr-B-Si + 50%(wt) WC 同步送粉 P=2kw, V=2-6 mm/s, D=5 mm 層厚：0.5-2 mm A3鋼 鐵基自熔合金 預置涂層 P=1.6kw, D=3-4mm, V=4-6mm/s 工具鋼 粉末高速鋼 同步送粉 P=1.5kw, D=5 mm, V=3-15mm/s，硬度可達Hv750-850 20鋼 Co-Cr-B-Si + WC 預置涂層 P=1.2 kw, D=3.5 mm, V=6m

11、m/s 七、特點優(yōu)點： 改性幅度高：熔覆層稀釋率低，且可以精確控制。 改性范圍大：不受相圖限制，可利用各種材料進行改性； 能量密度高、作用時間短，基材熱影響區(qū)及熱變形均。 激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，結合強度高。 激光熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制。設計專門的導光系統(tǒng)，可對深孔、內(nèi)孔、凹槽、盲孔等部位處理，采用一些特殊的導光系統(tǒng)可以使單道激光熔覆層寬度達到2030mm，最大厚度可達3mm以上，使熔覆效率和覆層質(zhì)量進一步提高； 激光熔覆對環(huán)境無污染，無輻射、低噪音。 缺點： 表面粗糙再加工硬度高難以加工，成本 熔覆層開裂！八、激光熔覆層開裂的原因及預防措施原因： 熔化層再凝固體積大大收縮

12、 熔覆層拉應力開裂 基體受熱很少體積幾乎不變 通常涂層硬且脆 開裂問題到目前為止仍然沒有完全解決！措施： 預熱： 降低冷卻速度，降低熔覆層中的應力。但效果有限，因預熱溫度不可能過高，和熔覆溫度相比，畢竟有限。 涂層中加入韌性相：韌性相變形釋放應力。但性能 梯度涂層：多層熔覆，由軟及硬，緩和應力。 問題：高硬功能性涂層減薄，壽命 工藝難題：多層熔覆工藝控制，梯度成分控制 效率低、成本高： 結論：仍難以圓滿解決九、應用 發(fā)動機排氣門密封面和發(fā)動機缸蓋頭錐面熔覆鈷基合金。 航空發(fā)動機渦輪葉片表面激光熔覆抗燒蝕涂層。 汽輪機末級葉片葉尖迎風面熔覆耐水蝕Co基合金等(見圖)。 冶金行業(yè)的軋輥表面強化。

13、石油鉆頭熔覆WC層。第二節(jié) 離子束表面改性一、離子束能量和表面改性技術的關系 能量在數(shù)十eV數(shù)百eV范圍內(nèi)用于離子束沉積；keV范圍為離子刻蝕區(qū)，用于表面微細加工；1030MeV為離子注入?yún)^(qū)； 二、離子注入定義 離子注入技術是將從離子源中引出的低能離子束加速成具有幾萬到幾十萬電子伏特的高能離子束后注入到固體材料表面，形成特殊物理、化學或機械性能表面改性層 三、工藝過程 離化氣體，在高溫燈絲加速電子的作用下離化。 簡單 金屬，先蒸發(fā)成原子，然后離化。 復雜 分離磁分析器從離子源產(chǎn)生的正離子中篩選出所需的離子 加速加速器將篩選出的正離子加速到所需的能量 聚焦利用四極透鏡系統(tǒng)將離子束進行聚焦 注入聚

14、焦后的離子束高速注入靶面（工件表面）離子注入過程的原理示意圖 三、特點 靶材與注入或者添加的元素不受限制，幾乎所有固體材料都可以作為靶材，所有的元素都可以作為注入元素注入到靶材之中。 注入過程不受溫度限制，在高溫、低溫和室溫下進行。 注入到靶材中的原子不受靶材固溶度的限制，不受擴散系數(shù)和化學結合力的影響，因此可以獲得許多合金相圖上并不存在的合金，為研究新材料體系提供了新途徑。 可以精確控制摻雜數(shù)量、摻雜深度與位置，摻雜的位置精度可以達到亞微米級。 離子注入過程橫向擴散可以忽略，深度均勻；大面積均勻性好，摻雜雜質(zhì)純度高，因此特別適合半導體器件和集成電路微細加工的工藝需求。 直接離子注入不改變工件

15、尺寸，因此特別適合于精密機械零件的表面處理，如航空、航天等。 主要缺點為設備成本比較高，一次性投資比較大；離子注入層比較淺，一般以納米為單位進行計量，離子最大注入深度也只有數(shù)個微米。 四、離子注入材料表面的強化機理 (1)固溶強化效應依據(jù)注入原子的種類及其與基材原子直徑比值大小差別，離子注入層的固溶強化機理有間隙固溶強化與替位固溶強化。(2)晶粒細化效應離子注入層的晶粒尺寸較離子注入之前大幅度減少。因此注入層的硬度與強度也將大幅度提高。(3)晶格損傷效應高能量離子注入金屬表面后，使晶格大量損傷，產(chǎn)生大量空位和高密度位錯。當注入的離子是C、N、B等輕元素時，會釘扎位錯產(chǎn)生強化效應。(4)彌散強化

16、效應離子注入會使靶材升溫，特別是N，B，C會與金屬形成-Fe4N, -Fe3N, CrN, TiN等氮化物，Be2B等硼化物和TiC等碳化物，并彌散分布，使基體強化。(5) 壓應力效應離子注入能把2050%的材料加入近表面區(qū)，使表面成為壓縮狀態(tài)。壓縮應力能填實表面裂紋，阻礙微粒從表面剝落，從而提高抗磨損及抗疲勞能力。五、離子注入技術的應用 在超大規(guī)模集成電路制造中的應用 離子注入技術在微電子工業(yè)中的應用主要是利用其如下特點：摻雜量和注入深度可以精確控制；注入到硅中的雜質(zhì)是直進的，橫向擴散比熱擴散小十倍；摻雜層大面積均勻，重復性好和雜質(zhì)純度高等等。離子注入技術也因此成為現(xiàn)代微電子技術中的基礎工藝

17、 。 常用的注入離子為B、BF2、As（砷）和P，注入量從1011 1016/cm2，所使用的束流強度在10nA到10mA，注入能量為40keV-1MeV。 據(jù)報道，線寬為0.35微米的集成電路板，離子注入工序已達30多次。各種中束流注入機、強流離子注入機、超強流離子注入機相繼出現(xiàn)并應用于生產(chǎn)。據(jù)估計，2000年全世界約有近萬臺離子注入機在半導體工業(yè)中應用，其中90%與先進的硅芯片生產(chǎn)有關。 離子注入硅電路與器件參數(shù) 電路與器件注入離子注入能量/keV注入量(x1013/cm2)三極管發(fā)射區(qū)As, P100 150500 1000三極管基區(qū)B30 6050三極管超淺結As40500 1000M

18、OS源B, P60 100500MOS源或漏自對準B, P60 10050 500MOS閾值調(diào)整B, P80 1000.05 300源漏超淺結BF240 5050 500吸雜Ar40 15050 1000掩埋基區(qū)B5000.5電路電阻B, P50 1505 1002. 在機械工業(yè)中的應用 提高機械零件的耐磨性、疲勞強度 機理：降低摩擦系數(shù)，提高表面的硬度，表面壓應力狀態(tài)。 在Ti-6Al-4V表面注入C、N離子，可使摩擦系數(shù)降低50%。 在不銹鋼表面注入N離子，可使摩擦系數(shù)從0.8降到0.6，如果注入的是Ti和Ti+N，其摩擦系數(shù)可以降低到0.2 0.4。 在AISI1018鋼表面注入N+，可

19、使疲勞強度提高200%或更高。 提高機械零件的耐蝕、抗氧化性能 表面成分的變化：使電極電位發(fā)生變化。如注入Cr、Mo等元素，在金屬表面形成氧化物薄膜，或者形成不銹鋼成分的亞穩(wěn)態(tài)合金，從而大幅度改善耐蝕性和抗高溫氧化性能。 表面組織的變化：可以形成濃度遠遠大于平衡值的單相固溶體，從而避免腐蝕微電池的形成。注入層甚至可以以非晶態(tài)方式存在，從而大幅度提高材料表面的耐蝕性。 工、模具表面離子注入前后的性能變化 零件名稱1C1.6Cr鋼注入元素被加工材料使用結果切 紙 刀高速鋼N紙壽命提高2倍鉆塑絲錐WC-6% CoN塑料壽命提高5倍人工橡膠WC-6% CoN人工橡膠壽命提高2倍切 刀WC-6% CoN

20、銅產(chǎn)量提高5倍銅桿拉模工具鋼N低碳鋼磨損速度降至原來的1/3鋼 絲 模WC-6% CoN碳鋼產(chǎn)量提高10倍汽車環(huán)型C、O碳鋼產(chǎn)量提高6倍沖壓模440C不銹鋼Ti、C、N提高印花質(zhì)量壓延模1C1.6Cr鋼Ti + C延壽100倍航空儀表軸承52100鋼Pb、Ag固體潤滑燃料噴嘴Ti、B延壽10倍銑刀高速工具鋼Ti + C不銹鋼延壽16倍模具H13鋼Ti, Ti+C鋁型材擠壓力降低15%3. 在生物和醫(yī)療方面的應用 人工關節(jié)的表面改性。 人工關節(jié)常用強度高、韌性好Ti-6Al-4V和Co-Cr合金制造。 缺陷：耐磨性，有微粒和有害元素進入循環(huán)系統(tǒng)。 研究表明，在Ti-6Al-4V表面注入氮離子，可以形成TiN層，可使Ti-6Al-4V在血漿環(huán)境下的耐磨性提高40倍。在Co-Cr表面注入N離子，可以在其表面形成Cr2N層，使耐磨性明顯提高。 尤為重要的是有效阻止了有害元素Cr、Co、Ni的溶解，提高了人工關節(jié)的生物相容性，目前已經(jīng)得到商業(yè)應用。 高分子材料的表面改性 高分子材料的生物相容性非常好，可用作人工血泵膜和人造心瓣膜。但這些材料的致命缺點是機械強度低、耐磨性差。在硅橡膠和聚氨脂表面注入特定的離子，可以克服上述缺陷。 六、離子注入新技術