基本介紹
- 中文名：高能束熱處理
- 外文名：High Energy Beam Heat Treatment
- 技術類別：材料表面改性處理
- 起源時間：1983年
- 主要套用領域：汽車零件、航空航天零件加工
原理,特點介紹,種類,特徵,溫度場特徵,固態相變,
原理
當高能束輻射在金屬材料表面時，無論是光能（雷射束），還是電能（電子束和離子束）均被材料表面吸收，並轉化成熱能。該熱量通過熱傳導機制在材料表層內擴散，造成相應的溫度場，從而導致材料的性能在一定範圍內發生變化。
特點介紹
高能束熱處理的特點是：（1）高能束熱源作用在材料表面上的功率密度高、作用時間極其短暫，加熱速度快，處理效率高。（2）高能束加熱的面積可根據需要任意選擇，大面積可用疊加掃描法。（3）高能束熱源屬非接觸式，且束斑小，熱影響區小，變形小。（4）高能束熱處理靠工件自身冷卻淬火，不需介質。（5）高能束加熱的可控性好，便於自動化處理。（6）高能束熱源可遠距離傳輸或通過真空室。
種類
高能束有雷射束、電子束、離子束等。因為雷射束、電子束、離子束作為一種高能密度熱源，作用在金屬表面所產生的相變、熔化、氣化效應是一致的。因此通常將高能束熱處理分為：高能束相變硬化處理、高能束熔敷處理、高能束合金化、高能束非晶化、高能束衝擊硬化以及高能束氣相沉積等。
特徵
高能束熱處理的特徵是：（1）. 高能束加熱時，加熱速度高達5×10^3℃/s以上，金屬共析轉變溫度Ac1點上升100℃以上，因此高能束熱處理時允許金屬表面溫度在熔化溫度和相變點Ac1間變化。儘管過熱度大，但不會過熱或過燒。因此硬度也高。（2）. 高能束熱處理屬非接觸試加熱，沒有機械應力作用。由於高能束加熱和冷卻速度都快，熱應力極小，因此工件變形也小。（3）.由於高能束加熱速度快，奧氏體長大及碳原子和合金原子的擴散受到抑制，可得到細化和超細化金屬表面。（4）.由於高能束作用面積小，金屬本身的熱容量足以使被處理的表面驟冷，冷速高達104C/s。保證完成馬氏體的轉變；且急冷可抑制碳化物的析出，從而減少脆性相的影響。並獲得隱晶馬氏體組織。（5）.高能束熱處理金屬表面將會產生200~800MPa的殘餘應力，從而大大提高金屬表面的疲勞強度。
溫度場特徵
高能束作用下的溫度場特徵為：1.沿層深的溫度分布及其變化。由表及里，溫度逐漸降低，當表層溫度開始下降時，其次表層的溫度還繼續升高。這反應出高能束處理過程中熱量由表及里的滯後傳遞，材料的傳熱係數越小，這種滯後效應越明顯。2.沿掃描方向上的溫度分布及其變化。當雷射的作用距離x與光束直徑相當後，表面溫度分布已經達到穩定態，其溫度分布幾乎一致。當雷射以恆定速度掃描運動時，表面的最高峰值溫度不是在光束的中心位置，而是偏離了中心一定距離，其偏離程度隨著光束掃描速度的增加而增大。束斑前側的溫度梯度比後側的溫度梯度低。顯然雷射的掃描速度越快，其基體的冷卻速度越大。在高能束與金屬互動作用中，如果雷射束或電子束的作用強度達到或超過一定閾值後，金屬表面將發生熔化現象，此刻在金屬熔池記憶體在熔體的對流運動。在能束作用下的能束束斑中心附近，其熔體的表面溫度最高，而偏離熔池中心區域越遠，其表面溫度越低，在熔池邊界，其表面溫度最低，剛好為熔點溫度。表面張力的分布規律是熔池中心表面附近的張力值最低，而邊緣附近較高。高能束焊接下不僅存在液態傳熱，還存在固態傳熱。兩者有一定的區別。傳質是指物質從物體或空間某一部位遷移到另一部位的現象。傳熱過程的基本原理可用於傳質過程。傳質過程分為固態和液態傳質過程。固態傳質是研究原子或分子的微觀運動，主要是擴散傳質，液態傳質的主要過程是對流傳質，同時還存在擴散傳質現象。高能束作用下的金屬熔池內的傳質包括三種模式：液-氣界面的傳質模式，固-液界面的傳質模式，和熔池內的傳質模式。
固態相變
高能束加熱作用下的固態相變主要指能束的巨觀加熱效應所導致的固態相變。因而它主要包括雷射束和電子束加熱條件下的固態相變。雷射束或電子束加熱固態相變硬化是指具有同素異構結構轉變的金屬材料表面被高功率密度的高能束作用，其表面薄層迅速被加熱至固態相變溫度之上，其熔點之下，此刻薄層溫度達到很高，而基體仍處於冷態。在高能束作用停止後基體與薄層之間在巨大的溫度梯度下，藉助基體自冷，可使高溫組織發生固態相變硬化。高能束作用下的固態加熱相變特徵包括相變臨界點、亞結構特徵和組織不均勻性。其中，雷射或電子束快速加熱使得相變臨界點向高溫方向移動。在高能束相變硬化處理後使得鋼的晶粒尺寸下降，即鋼的晶界數量大幅增加。原始晶粒越粗大，高能束固態相變後的組織不均勻性越明顯。高能束相變硬化後主要產生包括馬氏體在內的淬硬組織，使基體變硬，主要為細化和碎化的馬氏體組織。高能束熱處理後還可出現熔體和凝固性組織。
