[发明专利]基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及对金属工件表面加工处理技术的改进，具体指对金属工件的表面利用大面积电子束进行快速涂覆并合金化的方法及装置，主要用于工件表面的强化和镀膜，属于材料表面处理技术领域。

 

背景技术

材料表面技术是近年来研究比较热门的领域，其中，表面合金化工艺是表面强化技术中最有前途的工艺方法。利用这种工艺可在一些表面性能差、价格便宜的基体金属表面制出耐磨，耐蚀、耐高温的表面合金，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价合金获得更广泛的应用，从而大幅度降低成本。另外，它还可用来制造出在性能上比传统方法更优的表面涂层，由于材料表面重熔引起晶界原子的迅速扩散，从而让表面的合金与齿轮基体很好的结合，齿轮表面电子束合金化处理获得的金属膜和金属基体为一个整体，避免了类似于涂层的剥落，解决了一般涂覆薄膜材料的结合力不足问题。这种工艺可根据工件表面性能的要求，合理地选择合金元素，从而在普通基材表面获得特殊性能的合金层，这项工艺的优点还表现在它的处理区域的高度局部性和合金粉末选择的灵活性上。同时也可以在基体较轻的结构材料表面制作表面性能较强的膜，既解决了工件设计的轻量化，同时也解决了高性能材料基体太脆韧性不够的问题。

近十几年来，利用脉冲高能密束(电子束、离子束、激光束)进行金属材料表面精整加工和改性得到了迅速发展。当高能量密度的射束作用到材料表面时，大量的能量会在短时间里沉积在材料表面的薄层中，被加热层的温度迅速升高，导致局部熔化、汽化等现象。当输入能量结束时，工件表面会急速冷却。经过这几个过程的综合作用，材料表面层的性质会发生明显地变化。这样就可以使材料表面具有用常规方法难以达到的物理、化学或力学性质。

利用电子束技术，使基体材料表面薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为几个um到1个mm的表面熔化层，熔化层由于常温基体的作用快速冷却下来，冷却速度可达10⁶℃／s～10⁸℃／s，相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度，又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象，使材料表面仅在很短时间内就形成了具有要求深度和化学成份的表面合金化层。

使用电子束进行加工，一般都是把电子束经过聚焦变成很细的高密度能束之后，用于精密切割和高功能精密焊接等方面的加工。与此相反，这里将要介绍的电子束照射装置是能对大面积产生较均匀的高能量密度的电子束。

国内外材料表面合金化技术主要包括：

①利用激光进行材料表面合金化。近几年的研究，多集中在以激光作为高密度能源的表面合金化工艺方面。这种以激光为高密度能源的表面合金化技术，存在着以下问题：首先，现有的激光表面合金化研究，多采用单光束斑，由于束斑的能量密度分布不均匀，难以获得表面平整的合金层；另外，由于激光宽带扫描装备尚未成熟，难以得到宽带碱灰表面合金层，而且，激光器的能量转换效率低，因此，激光表面合金化技术离实用化阶段还很遥远。

②利用电子束进行表面合金化。在材料表面预涂覆合金元素，利用电子束能量瞬间沉积在材料次表层很小的区域内，从而使材料极快速地升温到相变温度或熔化温度以上，实现合金化的过程。传统的电子束材料表面合金化需要在别的设备上预先涂覆合金层，而且其采用的圆形截面电子束加工，束斑重叠区域能量分布不均匀，材料表面应力集中，加工效率相对较低。

因此，激光由于束斑的能量密度分布不均匀，能量转换效率低，传统的电子束材料表面合金化需要在别的设备上预先涂覆合金层，加工效率低。所以需要设计一种适合金属零件的表面快速涂覆重熔方法及装置。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种生产效率高、且表面应力分布均匀的基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔方法及装置。

本发明解决技术问题的技术手段是这样实现的：

基于大面积电子束的工件表面快速涂覆重熔方法，其步骤为：

1）将所需涂覆的合金粉末利用混合剂制成膏状混料并封装到挤压头中；

2）将待加工工件置于真空环境中并放在工作台上，工作台可由工作台控制系统控制其匀速运动；

3）挤压头挤出混料进行工件表面涂覆，同时由工作台控制系统控制工作台并带动工件向前运动，在工件运动过程中，挤压头不断挤出新的混料涂覆在经过挤压头下方的工件表面，从而使工件表面均匀涂覆所需厚度的混料，直到工件需要涂覆的部位全部涂覆完毕时停止涂覆；