1、材料的表面與界面材料的表面與界面Surfaces and Interfaces Surfaces and Interfaces in Materialsin Materials第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.1 激光表面改性的特點(diǎn)激光表面改性的特點(diǎn) 激光束和電子束發(fā)生器有足夠的能量促使短時(shí)間內(nèi)加熱和活化大面積的表激光束和電子束發(fā)生器有足夠的能量促使短時(shí)間內(nèi)加熱和活化大面積的表面區(qū)域。離子束：把異類原子直接引入表面層進(jìn)行表面合金化，而引面區(qū)域。離子束：把異類原子直接引入表面層進(jìn)行表面合金化，而引

2、入原子的種類和數(shù)量不受常規(guī)合金化熱力學(xué)條件的限制。入原子的種類和數(shù)量不受常規(guī)合金化熱力學(xué)條件的限制。激光表面改性有如下特點(diǎn)：激光表面改性有如下特點(diǎn)：1 由于加熱速度極快，基體溫度不受影響由于加熱速度極快，基體溫度不受影響2 加熱層深幾個(gè)加熱層深幾個(gè)m，這樣薄層熔化需要能量幾個(gè)，這樣薄層熔化需要能量幾個(gè)J/cm2，三束能量很，三束能量很高，可以在表面產(chǎn)生高，可以在表面產(chǎn)生106108K/cm的溫度梯度，表面迅速熔化，的溫度梯度，表面迅速熔化，此溫度梯度又使熔化部分以此溫度梯度又使熔化部分以1091011K/s速度速度 冷卻，冷卻，S-L界面推移界面推移速度為每秒幾米。速度為每秒幾米。3 激光表面

3、改性可提高表面抗蝕性和耐磨性，還可用于半導(dǎo)體技術(shù)和激光表面改性可提高表面抗蝕性和耐磨性，還可用于半導(dǎo)體技術(shù)和催化劑技術(shù)。催化劑技術(shù)。4 激光表面改性包括：改變表面成分：合金化、熔覆；改變表面結(jié)構(gòu)：激光表面改性包括：改變表面成分：合金化、熔覆；改變表面結(jié)構(gòu)：表面相變硬化。表面相變硬化。 5 表面形成亞穩(wěn)組織，產(chǎn)生特種性能。表面形成亞穩(wěn)組織，產(chǎn)生特種性能。 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.2 激光與材料表面的交互作用激光與材料表面的交互作用 （1）激光器）激光器 固體（固體（YAG）激光器，氣體（）激光器，氣體（CO2）激光器。）激光器。1K

4、W以內(nèi)為小功率，以內(nèi)為小功率，15KW為中等功為中等功率，率，520KW為大功率。為大功率。（2）激光作用于材料表面的熱反應(yīng)）激光作用于材料表面的熱反應(yīng)Ex=Eo（ （1-R） ）exp（ （-x） ）式中：式中：Ex為穿透深度為為穿透深度為x處的激光能量處的激光能量 Eo為為激光束能量激光束能量 R為為表面表面對(duì)對(duì)激光的反射率激光的反射率 為為激光在材料內(nèi)的吸收系數(shù)激光在材料內(nèi)的吸收系數(shù)Ex隨隨x變變化極快，一般穿透深度小于化極快，一般穿透深度小于0.1m。 。熱傳導(dǎo)：低溫：聲子熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)：低溫：聲子熱傳導(dǎo) 中溫：電子熱傳導(dǎo)（幾百幾千中溫：電子熱傳導(dǎo)（幾百幾千） 高溫：輻射熱傳導(dǎo)高溫：輻射

5、熱傳導(dǎo)（3）激光輻射照產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變）激光輻射照產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變 加熱時(shí)表面膨脹，產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，發(fā)生壓縮變形，使材料擠出表面。加熱時(shí)表面膨脹，產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，發(fā)生壓縮變形，使材料擠出表面。 冷卻時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉伸塑性變形。冷卻時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉伸塑性變形。 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.3 激光表面相變硬化激光表面相變硬化 （1）黑化處理）黑化處理為提高工件表面對(duì)激光的吸收率，對(duì)表面進(jìn)行黑化處理。主要包括：涂碳法、膠體石墨法、為提高工件表面對(duì)激光的吸收率，對(duì)表面進(jìn)行黑化處理。主要包括：涂碳法、膠體石墨法、磷酸鹽法。磷酸鹽法。（2）激光

6、相變硬化及其組織）激光相變硬化及其組織利用高能束照射在可相變硬化的材料表面（以鋼為例）使表面迅速加熱到相變溫度以上，利用高能束照射在可相變硬化的材料表面（以鋼為例）使表面迅速加熱到相變溫度以上，形成奧氏體，當(dāng)光斑掃過(guò)后，表層奧氏體被內(nèi)層金屬快速冷卻，得到馬氏體。形成奧氏體，當(dāng)光斑掃過(guò)后，表層奧氏體被內(nèi)層金屬快速冷卻，得到馬氏體。硬化層的組織特點(diǎn)為：組織超細(xì)化；化學(xué)成分不均勻硬化層的組織特點(diǎn)為：組織超細(xì)化；化學(xué)成分不均勻微區(qū)成分不均勻的馬氏體或殘余微區(qū)成分不均勻的馬氏體或殘余奧氏體；晶體缺陷密度提高；未熔碳化物數(shù)量減少；殘余奧氏體增加。奧氏體；晶體缺陷密度提高；未熔碳化物數(shù)量減少；殘余奧氏體增加

7、。（3）激光硬化層的特征與性能）激光硬化層的特征與性能能量密度為：能量密度為： 。式中：。式中：P為激光功率；為激光功率；D為光斑直徑；為光斑直徑；V為掃描速度。為掃描速度。在不熔化的前提下，選擇最大的在不熔化的前提下，選擇最大的E，得到最大的表面硬度和硬化層深度。，得到最大的表面硬度和硬化層深度。硬化層的性能特點(diǎn)為：硬化層的性能特點(diǎn)為：1 硬度：各種金屬材料，硬度比極值提高硬度：各種金屬材料，硬度比極值提高20%，原因主要是細(xì)化晶，原因主要是細(xì)化晶粒；粒；2耐磨性：可以使耐磨性：可以使GCr15鋼的使用壽命提高一倍；鋼的使用壽命提高一倍；3殘余應(yīng)力：表面為殘余壓應(yīng)殘余應(yīng)力：表面為殘余壓應(yīng)力，

8、次表面為殘余拉應(yīng)力；力，次表面為殘余拉應(yīng)力；4疲勞性能：由于產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，提高疲勞性能（疲勞疲勞性能：由于產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，提高疲勞性能（疲勞裂紋多產(chǎn)生于表面）。裂紋多產(chǎn)生于表面）。VDPE第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.3 激光表面相變硬化激光表面相變硬化 （4）應(yīng)用）應(yīng)用 主要應(yīng)用于汽缸套、郵票打孔機(jī)（壽命提高主要應(yīng)用于汽缸套、郵票打孔機(jī)（壽命提高20倍）。倍）。（5）激光熔化淬火）激光熔化淬火 細(xì)化晶粒、純凈表面（雜質(zhì)、氣孔和化合物）、鑄鐵表面組織改進(jìn)。細(xì)化晶粒、純凈表面（雜質(zhì)、氣孔和化合物）、鑄鐵表面組織改進(jìn)。（6）激光非晶化）激

9、光非晶化 快速冷卻使合金表面得到非晶。快速冷卻使合金表面得到非晶。（7）激光沖擊硬化）激光沖擊硬化 高能激光束使表面氣化，形成沖擊波，僅作用于表面，使表面塑變、強(qiáng)化。高能激光束使表面氣化，形成沖擊波，僅作用于表面，使表面塑變、強(qiáng)化。 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.4 激光表面合金化激光表面合金化 （1）工藝介紹）工藝介紹目的：提高表面耐磨和防腐性能。目的：提高表面耐磨和防腐性能。方法：將合金化元素和陶瓷粉末以一定方式添加到基體金屬表面，通過(guò)激光加熱使其與基方法：將合金化元素和陶瓷粉末以一定方式添加到基體金屬表面，通過(guò)激光加熱使其與基 體

10、表面共熔而混合，形成表面特種合金層。體表面共熔而混合，形成表面特種合金層。表面涂合金方法：共沉積法和預(yù)沉積法。共沉積法：激光照射同時(shí)送入粉末，要求有高精表面涂合金方法：共沉積法和預(yù)沉積法。共沉積法：激光照射同時(shí)送入粉末，要求有高精 度送粉設(shè)備。預(yù)沉積法：粉末涂刷、熱噴涂、真空鍍、電鍍、化學(xué)鍍、度送粉設(shè)備。預(yù)沉積法：粉末涂刷、熱噴涂、真空鍍、電鍍、化學(xué)鍍、 預(yù)制薄板或金屬箔。預(yù)制薄板或金屬箔。影響合金化的主要參數(shù)：影響合金化的主要參數(shù)： 激光束參數(shù)：激光束參數(shù)：I：入射能量密度；：入射能量密度；tp：脈沖持續(xù)時(shí)間；：脈沖持續(xù)時(shí)間；Ro：材料對(duì)激光反射率：材料對(duì)激光反射率 d：光斑尺寸；：光斑尺寸

11、；de：有效光斑尺寸：有效光斑尺寸 材料熱力學(xué)參數(shù)：材料熱力學(xué)參數(shù)：D：熱擴(kuò)散系數(shù)；：熱擴(kuò)散系數(shù)；T：熔點(diǎn)；：熔點(diǎn)；P：蒸氣壓：蒸氣壓過(guò)程：通過(guò)熔化表面膜過(guò)程：通過(guò)熔化表面膜A和部分基體和部分基體B，把薄膜元素可控地結(jié)合入基體，把薄膜元素可控地結(jié)合入基體B中。液態(tài)混合之中。液態(tài)混合之 后，快速凝固，使合金化元素結(jié)合到基體表面。后，快速凝固，使合金化元素結(jié)合到基體表面。機(jī)制：形成理想的表面合金；利用快速加熱和快速凝固形成特殊的亞穩(wěn)合金，實(shí)現(xiàn)特殊的機(jī)制：形成理想的表面合金；利用快速加熱和快速凝固形成特殊的亞穩(wěn)合金，實(shí)現(xiàn)特殊的 性能。性能。第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表

12、面改性激光表面改性 3.3.4 激光表面合金化激光表面合金化 （2）表面激光合金化熱力學(xué)）表面激光合金化熱力學(xué) 以二元合金系激光表面合金化為研究對(duì)象，可有以下三種情況：以二元合金系激光表面合金化為研究對(duì)象，可有以下三種情況：1 固態(tài)和液態(tài)都互溶；固態(tài)和液態(tài)都互溶；2 液態(tài)互溶，固態(tài)有限互溶或完全不互溶；液態(tài)互溶，固態(tài)有限互溶或完全不互溶；3 液態(tài)不互溶。液態(tài)不互溶。 固態(tài)和液態(tài)都互溶：以固態(tài)和液態(tài)都互溶：以Pd-Ni為例。在為例。在Ni表面預(yù)制表面預(yù)制115nm厚的厚的Pd膜，用膜，用500W激光束熔激光束熔化時(shí)間為化時(shí)間為100s，表面，表面Pd含量達(dá)到含量達(dá)到12%，固溶機(jī)制為置換。，固溶

13、機(jī)制為置換。 液態(tài)互溶，固態(tài)有限互溶或不互溶：液態(tài)時(shí)是單相，到固態(tài)時(shí)為兩相或多相，這一點(diǎn)液態(tài)互溶，固態(tài)有限互溶或不互溶：液態(tài)時(shí)是單相，到固態(tài)時(shí)為兩相或多相，這一點(diǎn)很重要，為激光表面合金化能得到新的表面合金提供了可能。很重要，為激光表面合金化能得到新的表面合金提供了可能。 液態(tài)不互溶，固態(tài)互溶有限：以液態(tài)不互溶，固態(tài)互溶有限：以Ag-Ni為例。在為例。在Ni基體上預(yù)涂基體上預(yù)涂210nm厚的厚的Ag膜，激光膜，激光功率為功率為5MW/cm2，作用時(shí)間為，作用時(shí)間為10s，使表面熔化，但凝固后，使表面熔化，但凝固后，Ag和和Ni互相分開(kāi)。如互相分開(kāi)。如果果Ag膜厚度為膜厚度為1nm，熔化時(shí)間為，熔

14、化時(shí)間為200s。凝固后，。凝固后，Ag會(huì)以會(huì)以2%的濃度溶入的濃度溶入Ni基體，但基體，但Ni晶格被輻照損傷晶格被輻照損傷Ag在在Ni上實(shí)現(xiàn)表面合金化。要有足夠薄的膜，高的熔化溫度、長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)表面合金化。要有足夠薄的膜，高的熔化溫度、長(zhǎng)的熔化時(shí)間。的熔化時(shí)間。 沉積膜厚度與熔化深度比值決定了表面合金層的成分。沉積膜厚度與熔化深度比值決定了表面合金層的成分。 把低熔點(diǎn)物質(zhì)表面合金化到高熔點(diǎn)物質(zhì)上是困難的。如：把低熔點(diǎn)物質(zhì)表面合金化到高熔點(diǎn)物質(zhì)上是困難的。如：Zn表面合金化到表面合金化到W基底?；住?第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.4 激光

15、表面合金化激光表面合金化 （3）表面合金化舉例）表面合金化舉例 鋼中加入鋼中加入Cr、Ni、Mo的目的是提高表面耐周圍環(huán)境的性能。所以為降低成本，只在表的目的是提高表面耐周圍環(huán)境的性能。所以為降低成本，只在表面進(jìn)行合金化處理。如：面進(jìn)行合金化處理。如：70%Cr-30Ni%粉末涂在鋼表面，激光合金化后，得到粉末涂在鋼表面，激光合金化后，得到29Cr-13Ni表面合金，在表面合金，在H2SO4種與不銹鋼有相同的耐蝕性。種與不銹鋼有相同的耐蝕性。 用壓軋方法在用壓軋方法在Fe表面形成表面形成Mo薄膜，表面激光處理，產(chǎn)生的合金化區(qū)域，深度為薄膜，表面激光處理，產(chǎn)生的合金化區(qū)域，深度為450500m，

16、Mo的平均濃度為的平均濃度為12%，而平衡態(tài)下，而平衡態(tài)下，650時(shí)時(shí)Mo在在Fe中最大溶解度為中最大溶解度為4%，形成亞穩(wěn)固溶體。形成亞穩(wěn)固溶體。 Ti中加入中加入Pd可大大降低可大大降低Ti在還原酸中的腐蝕速率，在在還原酸中的腐蝕速率，在Ti表面預(yù)沉積表面預(yù)沉積15nm的的Pd膜，激光膜，激光處理后可形成深度為幾百納米，原子濃度為處理后可形成深度為幾百納米，原子濃度為4%的合金。的合金。 Zr基體涂基體涂Cu，激光熱處理后得到，激光熱處理后得到30%60%Cu的表面合金，這種合金往往是玻璃相的表面合金，這種合金往往是玻璃相 Cu表面涂表面涂Cr，激光處理后形成，激光處理后形成240nm的的

17、Cu-Cr合金層，平均濃度合金層，平均濃度8%，70nm處的峰濃處的峰濃度度18%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平衡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平衡Cr濃度（濃度（1%），表面形成），表面形成Cr2O3膜，起到鈍化和不可滲透的膜，起到鈍化和不可滲透的作用。作用。 Al表面表面強(qiáng)強(qiáng)化：加化：加Si、 、Cu、 、Fe可明可明顯顯提高表面提高表面層層硬度，但有硬度，但有時(shí)時(shí)會(huì)引起開(kāi)裂。會(huì)引起開(kāi)裂。 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.5 激光表面熔覆激光表面熔覆 （1）定義與方式）定義與方式 將具有某種特殊性能的粉末材料以最小的稀釋度用激光涂在基體表面，從而獲得特殊將具有某種特殊性能

18、的粉末材料以最小的稀釋度用激光涂在基體表面，從而獲得特殊的表面性能。的表面性能。 方式：方式：1預(yù)涂覆（粘結(jié)、熱噴涂、電沉積），存在問(wèn)題：基體熔化層深，稀釋度大，預(yù)涂覆（粘結(jié)、熱噴涂、電沉積），存在問(wèn)題：基體熔化層深，稀釋度大，目前國(guó)內(nèi)以這種方式為主。目前國(guó)內(nèi)以這種方式為主。2涂覆材料以粉末或絲、帶方式直接送進(jìn)激光形成的熔池，涂覆材料以粉末或絲、帶方式直接送進(jìn)激光形成的熔池，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散結(jié)合的涂覆。用絲和帶時(shí)反射率高，效果不佳。粉末吹送方式受到國(guó)內(nèi)外重實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散結(jié)合的涂覆。用絲和帶時(shí)反射率高，效果不佳。粉末吹送方式受到國(guó)內(nèi)外重視。視。（2）粉末吹送涂覆過(guò)程）粉末吹送涂覆過(guò)程基本過(guò)程：基本過(guò)程： 1

19、粉末經(jīng)過(guò)粉末輸送管，用保護(hù)氣氛輸送到熔池粉末經(jīng)過(guò)粉末輸送管，用保護(hù)氣氛輸送到熔池 2 粉末到達(dá)熔池前粉末到達(dá)熔池前經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)光束被加光束被加熱熱到到紅熱紅熱狀狀態(tài)態(tài) 3 進(jìn)入熔池立即熔化進(jìn)入熔池立即熔化 4 隨基體運(yùn)動(dòng)和粉末連續(xù)輸送實(shí)現(xiàn)涂覆隨基體運(yùn)動(dòng)和粉末連續(xù)輸送實(shí)現(xiàn)涂覆第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.5 激光表面熔覆激光表面熔覆 （3）粉末吹送涂覆參數(shù)）粉末吹送涂覆參數(shù)涂層寬度涂層寬度 W=D（1-bV），式中：），式中： D為光斑有效直徑；為光斑有效直徑； V為工件運(yùn)動(dòng)速度，為工件運(yùn)動(dòng)速度，b為常數(shù)。為常數(shù)?？梢钥闯觯嚎梢钥闯觯篧D涂層

20、厚度涂層厚度 H=Cm/V，式中：，式中：m為供粉速度，為供粉速度， C為與工藝參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。為與工藝參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。 在激光熔覆過(guò)程中，稀釋度在激光熔覆過(guò)程中，稀釋度d應(yīng)盡可能小，否則改變涂層原始性能。采用粉末吹送方式應(yīng)盡可能小，否則改變涂層原始性能。采用粉末吹送方式時(shí)，時(shí)，d可控制在可控制在10%以內(nèi)。激光能量密度以內(nèi)。激光能量密度E提高和供粉速度提高和供粉速度m降低，可導(dǎo)致稀釋度降低，可導(dǎo)致稀釋度d提提高。高。激光功率基本運(yùn)動(dòng)速度涂覆形狀稀釋程度供粉速率涂層質(zhì)量第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.3 激光表面改性激光表面改性 3.3.5 激光表面熔覆激光表面熔覆 （4）激光涂覆的組織特點(diǎn)）激光涂覆的組織特點(diǎn)與激光