電子束表面改性的研究進(jìn)展

趙 暉，王金川，杜春燕，王思潤，王 震，田志宇

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

20世紀(jì)60年代，英國原子武器研究中心的J.C.Martin率先研制出一種高功率脈沖裝置，該裝置可產(chǎn)生強(qiáng)流脈沖電子束[1]。但直到70年代，強(qiáng)流脈沖電子束才慢慢在材料表面改性的方面得到各國科學(xué)家的重視。主要是利用高能電子束的熱源作用使材料表面溫度迅速升高，表層成分和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而提高材料表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性能，從而延長處理件的服役壽命。最初該技術(shù)的研究與應(yīng)用，只是對其在表面淬火、合金化、半導(dǎo)體退火和輻照損傷等方面的作用進(jìn)行了試探性的研究[2-3]。

隨著研究的深入和設(shè)備的更新?lián)Q代，現(xiàn)在真空中電子束能量利用率可以達(dá)到90%，非真空電子束能量利用率也可以達(dá)到60%。和激光相比，電子束的反射率更低，利用率更高。電子束表面改性無需保護(hù)氣體，工件無氧化、無脫碳、無污染。電子束設(shè)備功率大，表面改性時材料加熱和冷卻的速度非?？臁？梢赃_(dá)到常規(guī)熱處理幾個小時甚至十幾個小時的處理效果。另外，可以用計算機(jī)控制加工過程，精確控制材料的熔深、加熱溫度、加速電壓和電流等工藝參數(shù)。

電子束表面改性技術(shù)早在上世紀(jì)就應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。上世紀(jì)70年代末美國克萊勒斯公司引進(jìn)Sciaky公司的電子束系統(tǒng)進(jìn)行離合器零件指定部位淬火處理，解決了其他方法不能解決的問題[4]。80年代中期，日本五十鈴6B系列發(fā)動機(jī)挺桿采用電子束淬火來提高硬度[5]?，F(xiàn)在電子束表面處理技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣闊，如卡車和越野車傳動齒輪、石油及采礦隔膜組件中的石位組件與油箱管、高能物理超導(dǎo)腔、飛機(jī)發(fā)動機(jī)外殼、軍用飛機(jī)部件等零件的加工領(lǐng)域。根據(jù)不同的工藝參數(shù)，電子束表面處理技術(shù)可以分為電子束表面相變強(qiáng)化、重熔處理、合金化、熔敷、非晶化處理、薄層退火、表面拋光[6-9]等諸多種類。

1 電子束表面改性國外研究進(jìn)展

電子束表面改性在國外研究范圍廣泛，主要集中在歐美和亞洲國家。電子束表面改性在國外發(fā)展趨勢是由表面淬火和簡單的合金化逐步發(fā)展為利用電子束表面改性與其它表面改性技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合表面處理技術(shù)。

Jun Cheol Oh等[10]利用電子束分別將TiB2和TiC粉末在鈦基板上進(jìn)行合金化，硬度得到提高，在450℃可以維持480VHN，提高了鈦的高溫硬度。Euh Kwangjun等[11]利用高能電子束輻照將VC粉末在普通碳鋼表面合金化，改性后的表面層硬度比基體提高四倍。D.Utu等[12]利用電子束對涂覆氮化硼粉末的工業(yè)純鈦表面合金化后發(fā)現(xiàn)，處理后的鈦合金表面磨損速率是原始樣品的0.1倍。G.Marginean等[13]采用高速氧燃料熱噴涂技術(shù)將WC-Co Cr金屬陶瓷粉末噴涂在鉻鎳鐵合金基板上，然后進(jìn)行電子束輻照。合金化后的材料表面硬度比僅熱噴涂之后的表面硬度提高195HV，耐磨性和耐NaCl溶液腐蝕性也明顯提高。Rainer等[14]通過合金化重熔和合金化實驗發(fā)現(xiàn)，利用電子束將Cu38Ni在AlSi35基板上合金化后，硬度提高了7倍，耐磨性得到明顯提高。S.F.Gnyusov等[15]利用電子束將M2高速鋼粉末熔覆在碳素鋼基體上后發(fā)現(xiàn)材料的耐磨性明顯增強(qiáng)。J.C.Walkera等[16]在進(jìn)行Ti6Al4V鈦合金電子束表面處理后發(fā)現(xiàn)材料的表面粗糙度降低，耐腐蝕性增強(qiáng)。Kim Jisoo等[17]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過電子束表面處理之后KP1模具鋼和KP4模具鋼的耐腐蝕性和耐磨性明顯改善，而且納米硬度升高。K.Fritzsch等[18]利用熱噴涂技術(shù)將鋁硅混合粉末制備在鎂合金表面上，隨后進(jìn)行電子束改性；結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后材料摩擦系數(shù)與基材相比降低50%，腐蝕電流密度降低至原始試樣的1/3。Anne Jung等[19]采用等離子滲氮和電子束輻照處理相結(jié)合的復(fù)合處理技術(shù)對鋁合金進(jìn)行表面處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理后的材料表面硬度與基體相比提高了1倍，磨損量僅有基體的1/10。Claudia等[20]利用加速電壓150kV的電子束對Ti6Al4V鈦合金輻照發(fā)現(xiàn)改性后的鈦合金表面硬度最高可達(dá)到460HV，比基體硬度提高了25%。D V.Lazurenko等[21]利用電子束將Ti-Al粉末在工業(yè)純鈦表面熔覆處理，電子束脈沖電流18mA，掃描速度10mm/s。發(fā)現(xiàn)改性層硬度最高可達(dá)610HV。M ormanova等[22]進(jìn)行了電子束與等離子體滲氮的表面復(fù)合處理，處理后工具鋼表面硬度最高可達(dá)760kg/mm2。G.Gotzmann等[23]分別利用磁控濺射、等離子體化學(xué)氣相沉積和陰極電弧沉積技術(shù)在不銹鋼表面制備類金剛石薄膜，然后進(jìn)行電子束表面改性處理，發(fā)現(xiàn)電子束改性后類金剛石薄膜的親水性增加，細(xì)胞附著力降低至未經(jīng)電子束改性處理樣品的30%。P Hollmann等[24]對磁控濺射TiAlN薄膜后的51CrV4彈簧鋼進(jìn)行電子束硬化處理，得到無裂紋的改性層，表明了磁控濺射與電子束表面改性技術(shù)的復(fù)合處理技術(shù)可行性。D A College等[25]對用電子束輻照后的工具鋼進(jìn)行低溫處理，使拉伸殘余應(yīng)力降低了28%，實驗結(jié)果表明了低溫處理與電子束表面改性的復(fù)合處理技術(shù)可以延長工具鋼的使用壽命。

總結(jié)表明，電子束改性技術(shù)與PVD和CVD結(jié)合成的表面復(fù)合處理技術(shù)可以進(jìn)一步提高材料的表面性能。其中磁控濺射、熱噴涂、陰極電弧沉積、等離子滲氮與電子束表面改性技術(shù)的結(jié)合可以制備出無裂紋的改性層、提高金屬基體與改性層的結(jié)合力、降低殘余應(yīng)力，提高材料的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和生物相容性。

2 電子束表面改性國內(nèi)研究進(jìn)展

2.1 黑色金屬電子束表面改性

2.1.1 模具鋼電子束表面改性

模具是工業(yè)生產(chǎn)中重要的工藝裝備，其工作條件惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)磨損、開裂、塑性變形等失效形式。因此模具鋼應(yīng)具有高硬度、高強(qiáng)度和高耐磨性、足夠的韌性以及高淬透性和高淬硬性。

韓超[26]進(jìn)行3Cr2W8V電子束合金化后發(fā)現(xiàn)材料表面硬度提高，3Cr2W8V電子束合金化Al的試樣和電子束直接輻照3Cr2W8V模具鋼試樣的耐磨性增強(qiáng)。電子束處理表面粗糙度為0.486μm的3Cr2W8V模具鋼后，材料表面粗糙度會下降到0.455μm；電子束處理表面粗糙度為0.076μm的3Cr2W8V模具鋼后，材料表面粗糙度會升高至0.301μm，這表明電子束改性可以改變材料表面粗糙度，進(jìn)而影響材料的耐磨性。吳愛民等[27]在利用電子束進(jìn)行D2模具鋼和H13模具鋼表面改性后發(fā)現(xiàn)，晶粒細(xì)化，材料耐磨性增強(qiáng)。Lu Jian等[28]發(fā)現(xiàn)3Cr2Mo模具鋼被電子束處理后粗糙度降低。

經(jīng)過電子束輻照后，模具鋼表面會形成細(xì)小的碳化物，并且發(fā)生奧氏體向針狀馬氏體轉(zhuǎn)變，晶粒更加細(xì)化。表明電子束表面改性可以使模具鋼的硬度增加，提高耐磨性和耐腐蝕性。

2.1.2 高速鋼電子束表面改性

高速鋼是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼，主要用來制造復(fù)雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具，也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等。為了延長高速鋼的使用壽命，進(jìn)行高速鋼電子束表面改性。

趙暉等[29-30]在進(jìn)行脈沖電子束處理高速鋼表面時發(fā)現(xiàn)材料的近表面層冷卻、收縮，形成了材料表面變形；隨著脈沖電子束脈沖次數(shù)和電子束流密度的增加，產(chǎn)生的波浪變形也越嚴(yán)重。脈沖電子束處理高速鋼后會形成熱影響區(qū)，材料的表面硬度、耐磨性得到增強(qiáng)[31]。李生志等[32]發(fā)現(xiàn)經(jīng)強(qiáng)脈沖電子束處理后，高速鋼表面形成一些彌散分布的火山口狀熔坑；隨著脈沖次數(shù)的增加，試樣表面微區(qū)變得光滑、熔坑密度明顯降低、熔坑之間的界限變得模糊；經(jīng)強(qiáng)脈沖電子束處理后熔坑處硬度提高1倍，耐腐蝕性能明顯增強(qiáng)。與原始試樣相比，隨著脈沖電子束處理高速鋼次數(shù)的增加，材料表面的顯微硬度和耐腐蝕性能增加。

高速鋼經(jīng)過電子束表面處理之后材料的表面微區(qū)變得光滑，晶粒明顯得到細(xì)化，碳化物更加細(xì)小且分布更加均勻；同時表層殘余奧氏體量增加,有助于耐腐蝕和耐磨性能的提高。

2.2 有色金屬電子束表面改性

2.2.1 鈦合金電子束表面改性

鈦合金密度小、比強(qiáng)度高，在航空航天、交通和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。但是鈦合金的硬度低，表面摩擦系數(shù)大，摩擦和磨損抗力低，需要進(jìn)行表面改性，賦予它更高的硬度、耐磨和耐腐蝕性。

張向東等[33-34]發(fā)現(xiàn)TA15經(jīng)過強(qiáng)脈沖電子束處理后，材料發(fā)生了固態(tài)相變，處理后樣品的耐腐蝕性能提高。在處理純鈦樣品時，材料表面的低熔點雜質(zhì)由于電子束高溫汽化，從而產(chǎn)生凈化作用。材料表面快速熔化并冷卻，表面硬度顯著升高，磨痕寬度減小，耐磨性和耐腐蝕性能提高。高玉魁等[35-36]發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)脈沖電子束改性技術(shù)可改善TB6鈦合金的表面粗糙度，使晶粒細(xì)化從而提高改性層硬度。許海鷹等[37]發(fā)現(xiàn)了電子束的能量增大會使影響層的熔深增加，并且伴隨著粗大晶粒的出現(xiàn)。

強(qiáng)流脈沖電子束照射到鈦合金表面后，材料表面溫度極速升高，升溫速度可達(dá)109K/s以上，溫度到達(dá)了β相轉(zhuǎn)變溫度以上，由于加熱時間非常短，熱量傳導(dǎo)到基板極速冷卻，β相向馬氏體轉(zhuǎn)變形成自淬火，晶粒來不及長大形成細(xì)小的針狀馬氏體。晶粒細(xì)化和位錯密度增加，使表面硬度提高。由于硬度增加，材料表面粘著度降低，耐磨性也相應(yīng)增加。晶粒細(xì)化和組織均勻有利于在鈦合金表面生成TiO2氧化膜，提高材料的耐腐蝕性。

2.2.2 鋁合金電子束表面改性

鋁及其合金，具有密度小，比強(qiáng)度高，延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性優(yōu)良，無低溫脆性，回收利用率高等優(yōu)點。但是，鋁合金的表面硬度比較低，耐磨性差。表面的氧化鋁薄膜也很薄，而且疏松容易脫落。因此對鋁合金表面改性和強(qiáng)化有重要意義。

周琦等[38]在利用電子束進(jìn)行ZL109鋁合金重熔和合金化處理后，發(fā)現(xiàn)硬度和剪切強(qiáng)度得到提高。李剛等[39]在對LY12鋁合金表面進(jìn)行高能電子束轟擊改性處理后，發(fā)現(xiàn)材料耐腐蝕性能明顯提高。信衛(wèi)坡[40]利用電子束進(jìn)行鋁合金表面強(qiáng)化處理，形成的改性層厚度可達(dá)0.5～3.5mm，材料表面的顯微組織及晶粒細(xì)化，表面硬度大幅度提高，是基體硬度的1.39倍，并提高了材料的耐磨性。Wang Rong[41]等將1Cr13不銹鋼粉末預(yù)涂在6061鋁表面進(jìn)行電子束合金化，改性層的硬度是基體的4倍，耐磨性也明顯改善。

利用電子束進(jìn)行鋁合金表面改性，表面層快速熔化，利用基體金屬的傳熱，在較大的過冷度條件下進(jìn)行結(jié)晶，由于溫度場和應(yīng)力場耦合作用，形核率增加，晶粒來不及長大，晶粒高度細(xì)化，鋁合金的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和剪切強(qiáng)度明顯提高。

2.2.3 鎂合金電子束表面改性

鎂合金是結(jié)構(gòu)材料中密度最小的金屬，是航空工業(yè)使用的重要材料。但鎂合金強(qiáng)度低、硬度低、耐磨性及耐腐蝕性差，需要進(jìn)行改性處理后才能實現(xiàn)其良好機(jī)械性能。

曹輝等[42]發(fā)現(xiàn)將鋁粉涂覆在純鎂表面進(jìn)行電子束合金化處理后，樣品抗5%NaCl溶液腐蝕性能得到顯著提高，AZ31以及AZ91HP鎂合金表面合金化Cr、TiN后，耐磨性均得到提高。李旻才等[43]發(fā)現(xiàn)利用強(qiáng)流脈沖電子束進(jìn)行AZ91鑄造鎂合金表面改性，鎂合金表面成分均勻化，并形成細(xì)小的復(fù)合納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。改性后AZ91鎂合金的表面顯微硬度和耐磨性能得到顯著提高，經(jīng)過8次脈沖處理的樣品表面顯微硬度由原始62.7HK提高到119.4HK，磨損速率由0.01126mm3/min降至0.00173mm3/min。Li.M.C等[44]進(jìn)行鎂合金電子束表面改性，加速電壓27kV，能量密度3J/cm2，脈沖持續(xù)時間2.5s。經(jīng)過15個脈沖之后，相結(jié)構(gòu)變?yōu)榧{米尺度結(jié)構(gòu)，硬度明顯提升；用電化學(xué)方法在3.5%NaCl溶液中測試了表面耐腐蝕性能，材料耐腐蝕性能也明顯改善。Ye Hong等[45]利用電子束處理AZ31B鎂合金，發(fā)現(xiàn)鎂合金表面硬度明顯提高，與原始樣品相比磨損量減少7%，耐腐蝕性也有明顯提高。

電子束加工過程中快速熔凝導(dǎo)致材料表面晶粒細(xì)化，高硬度的β相增加，使材料獲得較好的表面性能。這表明了采用電子束進(jìn)行鎂合金表面改性，可以使鎂合金硬度增強(qiáng)、耐磨性和耐腐蝕性明顯改善。

總結(jié)得出，利用電子束可以使金屬材料表面極速升溫和降溫，產(chǎn)生自淬火效果使相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，得到細(xì)化的晶粒。并且電子束的高溫使材料表面低熔點的雜質(zhì)汽化從而產(chǎn)生表面凈化作用。電子束也可以對預(yù)先涂層或覆膜的金屬材料進(jìn)行合金化和熔覆，改變材料的表面性能。根據(jù)電子束改性技術(shù)的工藝原理可以實現(xiàn)多種類金屬材料表面改性。在進(jìn)行電子束表面改性處理的過程中要合理優(yōu)化工藝參數(shù)，防止粗大晶粒、裂紋和高密度熔坑的產(chǎn)生，影響材料表面性能。電子束表面改性和其他表面處理的復(fù)合表面處理技術(shù)可以實現(xiàn)單一表面處理技術(shù)無法完成的工作，進(jìn)一步提高材料表面性能。

3 結(jié)束語

電子束表面改性經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，可以實現(xiàn)多種類金屬表面改性。電子束表面改性及其復(fù)合處理技術(shù)可以進(jìn)一步提高材料硬度、耐磨性、耐腐蝕性。但是，目前基于成本和設(shè)備條件的考慮，電子束表面改性多應(yīng)用于小構(gòu)件、表面局部部位以及工況極苛刻的工件表面處理，而且電子束表面改性后材料中存在殘余應(yīng)力引發(fā)裂紋，限制了電子束表面改性的應(yīng)用?？梢陨钊胙芯恳韵聨讉€方面：

(1)電子束與材料交互作用機(jī)理。研究電子束與材料交互作用機(jī)理，控制電子束高溫帶來的殘余應(yīng)力、裂紋和熔坑，細(xì)化晶粒，提高熔覆層與基體的結(jié)合力，可以進(jìn)一步提高材料的使用壽命。

(2)優(yōu)化工藝參數(shù)。工業(yè)應(yīng)用需求的增加、新型電子束設(shè)備的研發(fā)，電子束表面改性及其復(fù)合處理工藝更加復(fù)雜。因此優(yōu)化工藝參數(shù)也將成為電子束表面改性的研究重點。

(3)電子束設(shè)備研發(fā)。要實現(xiàn)大構(gòu)件、大面積和自動化的電子束表面處理，擺脫真空室尺寸的限制，這就需要研制功率、能量利用率和自動化程度更高的非真空電子束設(shè)備。