高能束表面改性技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

陳 軍，李 偉，郝勝智

（1.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116024；2.大連理工大學(xué)（鞍山）研究院，鞍山 114051）

高能束表面改性技術(shù)是利用高能量密度束流（激光束、電子束和離子束）作為改性源，輻照材料或工件表面，改變其組織結(jié)構(gòu)或化學(xué)成分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料或工件表面性能的提升和使用壽命的增加。傳統(tǒng)表面改性技術(shù)（噴砂、滲碳、滲氮、表面涂層等）雖然工藝成熟、應(yīng)用廣泛，但各自存在缺點(diǎn)，如噴砂有嚴(yán)重的噪聲和環(huán)境污染，滲碳、滲氮處理工期長(zhǎng)，表面涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度低，陽(yáng)極氧化適用范圍有限，無(wú)法滿足節(jié)能環(huán)保及日益增長(zhǎng)的材料表面性能要求。而高能束表面改性技術(shù)具有非接觸、無(wú)污染、材料適用性廣、便于精確控制等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提升材料表面硬度、耐磨、耐蝕、抗氧化等性能指標(biāo)，是航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)材料性能提升的有效手段之一[1]。

1 激光表面改性技術(shù)

高能量密度激光照射在材料表面，逆向軔致輻射被材料表層吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，材料表面溫度快速升高，發(fā)生相變、熔化甚至氣化，隨后熱量向材料深處快速傳導(dǎo)，表面溫度又快速降低，經(jīng)此“驟熱極冷”過(guò)程，實(shí)現(xiàn)材料表面的強(qiáng)化處理。激光表面改性在工藝上主要包括激光相變硬化、激光熔覆和激光沖擊強(qiáng)化等方式，另外還有激光退火、激光合金化、激光熔凝等。

1.1 激光相變硬化

激光相變硬化（Laser transformation hardening，LTH）又稱激光淬火，是通過(guò)激光掃描使材料表面溫度達(dá)到相變溫度以上、熔點(diǎn)以下，再以高于臨界冷卻速率冷卻，從而實(shí)現(xiàn)自淬火的一種方式[2]，其原理如圖1 所示。

LTH 是最早獲得應(yīng)用的激光表面改性技術(shù)，得益于高功率密度激光器的發(fā)展，在表面硬化加工領(lǐng)域現(xiàn)已爭(zhēng)得一席之地。LTH 最先廣泛使用的是Nd：YAG 激光器，后來(lái)半導(dǎo)體激光器和光纖激光器因結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、電光轉(zhuǎn)換效率高、價(jià)格較低等優(yōu)勢(shì)更受青睞[3]。LTH 具有變形小、表面硬度高的特點(diǎn)，技術(shù)已較為成熟，適用于鑄鐵、碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、工具鋼、模具鋼、高合金鋼等，尤其適合鋼制高精度零件及局部區(qū)域的處理。LTH 裝備已有批量成品出售，以半導(dǎo)體激光器為束源的設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LTH 開(kāi)展了廣泛的試驗(yàn)研究和應(yīng)用嘗試。劉江龍等[5]使用CO2激光器對(duì)GCr15 鋼進(jìn)行LTH 處理，SEM、TEM、XRD 等的分析結(jié)果表明，GCr15 鋼中馬氏體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.90%，比正常淬火高0.40%，說(shuō)明LTH 改性的主要機(jī)制為馬氏體相變；Carrera–Espinoza 等[6]對(duì)1538MV 鋼進(jìn)行LTH 處理，結(jié)果表明材料中的鐵素體與珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，且相比于常規(guī)淬火，馬氏體分布更加均勻；Rana 等[7]對(duì)不同碳含量的碳素鋼進(jìn)行LTH 處理，結(jié)果顯示30 鋼表層組織為板條馬氏體，45 鋼表層的馬氏體組織更加細(xì)密。雖然學(xué)界對(duì)LTH 改性技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究，但對(duì)于LTH 機(jī)理的理解尚未完全達(dá)成一致。

美國(guó)通用汽車公司是首個(gè)將LTH 用于工業(yè)生產(chǎn)的企業(yè)，于20 世紀(jì)70 年代就建立了汽車換向器殼體內(nèi)壁、柴油機(jī)缸套等部件的LTH 處理生產(chǎn)線，取得了良好效果。國(guó)外應(yīng)用高功率激光器對(duì)潛艇、飛機(jī)等的重載大齒輪進(jìn)行LTH 處理，解決了常規(guī)熱處理引發(fā)的大變形、高噪聲等問(wèn)題[8]。我國(guó)LTH 技術(shù)起步于20 世紀(jì)80 年代，先是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸套等方面開(kāi)展應(yīng)用研究，后逐漸拓展到航空航天、冶金等領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)軸體、套筒、齒輪、葉片、模具部件的改性使其獲得了良好的強(qiáng)化效果[9]。

1.2 激光熔覆

激光熔覆（Laser cladding，LC）是使用激光作為熱源，加熱、熔化合金粉末或復(fù)合粉末，使之與基體材料形成一層冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體表面特性的強(qiáng)化方式。根據(jù)粉末添加方式的不同，LC 分為預(yù)置涂層法和同步送料法[10–11]，其原理如圖3 所示。

圖3 LC 原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of LC principle

LC 工藝主要包括熔覆粉末的制備、熔覆對(duì)象的適用性驗(yàn)證和熔覆缺陷控制3 個(gè)方面。熔覆粉末主要包括自熔性合金粉末和復(fù)合粉末兩大類，其中自熔性合金粉末又可分為鎳基、鈷基、鐵基3 個(gè)系列。經(jīng)驗(yàn)證，LC 廣泛適用于各種金屬材料及其工件，既可針對(duì)表面磨損、腐蝕、劃傷、缺損等進(jìn)行修復(fù)，又可提高其表面耐磨、耐蝕、抗氧化等使役性能[12]。LC具有結(jié)合強(qiáng)度高、粉末選擇范圍廣等特點(diǎn)，既解決了電弧焊、氬弧焊等傳統(tǒng)熱加工方式無(wú)法避免的變形、疲勞損傷問(wèn)題，又化解了電鍍、噴涂等傳統(tǒng)冷加工方式涂覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度低的矛盾[13]。熔覆缺陷的控制是LC 技術(shù)的難點(diǎn)，隨著熔覆層厚度的增加，表面缺陷逐漸增多，而最為棘手的裂紋缺陷限制了LC 向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的速度。裂紋主要出現(xiàn)在表面與界面搭接處，由殘余應(yīng)力（包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和約束應(yīng)力）引發(fā)，控制涂層的裂紋缺陷可采用多種策略，包括合理選擇涂層材料、優(yōu)化工藝參數(shù)、采取預(yù)熱和后熱處理、應(yīng)用輔助場(chǎng)、使用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展等[14]。

LC 制備高硬耐磨涂層涵蓋材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、仿真模擬、輔助技術(shù)研究等多個(gè)方面，其中工藝優(yōu)化涉及激光功率、掃描速度、送粉速率、載粉氣流量、搭接率、熔覆路徑、熔覆層數(shù)等多項(xiàng)參數(shù)。Guo等[15]在激光能量密度72 J/mm2時(shí)制備多層24CrNiMoY 涂層，發(fā)現(xiàn)其潤(rùn)濕性良好，未出現(xiàn)裂紋和未熔區(qū)等缺陷，而且選擇合適的能量密度可有效減少夾雜物的析出，降低涂層的熱應(yīng)力。許妮君等[16]使用LC 制備DL2501 和DL155 梯度涂層，表面硬度達(dá)到763HV，分析結(jié)果表明涂層硬度隨掃描速度的增加而下降，是因輸入能量不足、強(qiáng)化相形成量少而導(dǎo)致。龔玉玲等[17]使用LC 在TC4 表面制備Ni60A 涂層，發(fā)現(xiàn)搭接率過(guò)高易導(dǎo)致涂層中強(qiáng)化相稀釋、涂層硬度降低，而搭接率過(guò)低不利于熱量的積累和強(qiáng)化相的析出。

LC 技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用研究的重點(diǎn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的修復(fù)和航空材料的強(qiáng)化機(jī)制。整體葉盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)提高性能、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低重量、提高耐久性的重要部件，在其使用過(guò)程中若遇到外物打傷或振動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)裂紋，會(huì)使葉盤整體報(bào)廢。美國(guó)H&R 公司、Optomec公司使用LC 技術(shù)相繼完成了GE–T700 整體葉盤的修復(fù)，并通過(guò)了疲勞性能試驗(yàn)；德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)對(duì)Ti6246 整體葉盤修復(fù)開(kāi)展研究，使用合金粉末按照修復(fù)路徑程序進(jìn)行多層激光沉積，從而完成葉片幾何尺寸的恢復(fù)；美國(guó)通用電氣公司申請(qǐng)了LC 修復(fù)整體葉盤的專利，并致力于推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用[18]。

LC 在我國(guó)航空修理領(lǐng)域的應(yīng)用始于20 世紀(jì)90 年代，首先用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的修理[19]，主要解決發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉尖磨短的接長(zhǎng)、葉身?yè)p傷的修復(fù)和發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣靜子葉片的修復(fù)[20–22]，而后針對(duì)鋁合金、鈦合金、鎂合金等金屬材料制造的飛機(jī)構(gòu)件，如搖臂、支架、起落架活塞桿的法蘭盤等承力構(gòu)件的裂紋、腐蝕等進(jìn)行LC 修復(fù)[23]，如圖4 所示。

圖4 LC 技術(shù)可用于修理的航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.4 Applications of LC in aero-engine components

從21 世紀(jì)初，北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)國(guó)家工程中心王華明院士團(tuán)隊(duì)就對(duì)航空材料表面LC 強(qiáng)化開(kāi)展了大量研究，分析了顆粒增強(qiáng)涂層、金屬間化合物復(fù)合涂層、陶瓷基復(fù)合涂層等對(duì)航空零部件表面性能的影響，相關(guān)研究成果大幅提高了材料表面的耐磨、耐蝕、抗氧化和阻燃等性能[24–27]。

1.3 激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化（Laser shock peening，LSP）技術(shù)是指利用高功率密度（1 GW/cm2以上）的短脈沖（ns級(jí)）激光穿過(guò)透明約束層作用于金屬表面的吸收層（厚度約0.1 mm），吸收層迅速受熱氣化，產(chǎn)生的蒸氣急劇吸收后續(xù)激光能量并形成高壓等離子體（1 GPa 以上）[28]，如圖5 所示；等離子體迅速膨脹、爆炸，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波[29]，作用于金屬表面并向其內(nèi)部傳播。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過(guò)金屬動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬表面發(fā)生塑性變形，形成孿晶和細(xì)小的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，同時(shí)在金屬的表層形成較大的殘余壓應(yīng)力，從而大幅提高表面強(qiáng)度、硬度和抗疲勞性能[30]。

圖5 激光致等離子體的形成Fig.5 Formation of laser induced plasma

LSP技術(shù)由美國(guó)俄亥俄州巴特爾–哥倫布斯實(shí)驗(yàn)室在1972 年發(fā)明[31]，后經(jīng)GEAE、LSPT 等多家公司發(fā)展而逐漸走向成熟。1992—1994 年美國(guó)GEAE 公司對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行了LSP 系列試驗(yàn)，2000 年GEAE 公司采用脈沖能量5 J 的Nd：YAG 激光器進(jìn)行LSP 處理，使LSP 走向了工業(yè)化。2002 年LLNL 公司在板條結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了結(jié)構(gòu)更為緊湊的激光器，并采用機(jī)器人夾持待處理葉片，極大提高了LSP 的處理效率和準(zhǔn)確性[32]。20 世紀(jì)90 年代中期到21 世紀(jì)初，美國(guó)企業(yè)成功將LSP應(yīng)用于F101、F110、F119 等發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、整體葉盤的葉片的改性與修復(fù)，將葉片前緣損傷容限提高了15 倍以上[33]。2008 年MIC 公司建立了LSP 生產(chǎn)線，主要用于羅羅公司Trent500、800、1000 型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)葉片的強(qiáng)化處理[34]。LSPT 公司開(kāi)發(fā)的快速涂覆系統(tǒng)極大提高了LSP 處理的效率，將葉盤整體處理時(shí)間從40～44 h 縮短到8 h 以下，運(yùn)行成本降低了50%～75%[35–36]，所開(kāi)發(fā)的Procudo200 型LSP 系統(tǒng)如圖6 所示[37]，快速涂覆系統(tǒng)如圖7 所示[37]。

圖6 LSPT 公司開(kāi)發(fā)的Procudo200 型LSP 系統(tǒng)[37]Fig.6 Procudo200 LSP system developed by LSPT[37]

圖7 LSPT 公司開(kāi)發(fā)的快速涂覆系統(tǒng)[37]Fig.7 Rapid coater system developed by LSPT[37]

在國(guó)內(nèi)，空軍工程大學(xué)、中國(guó)航空制造技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所先后完成整體葉盤LSP 設(shè)備的試制，填補(bǔ)了我國(guó)工業(yè)應(yīng)用激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備的空白。經(jīng)LSP 處理后，葉片的疲勞強(qiáng)度提升20%，壽命提高4～6 倍[38–39]。

LSP 具有高能、高壓、超快、高應(yīng)變、非接觸等特點(diǎn)，在諸多重大裝備部件上實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，其中航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件高周疲勞斷裂問(wèn)題的有效處理是推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵。航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片因高周疲勞和外來(lái)物吸入打傷會(huì)發(fā)生損壞，嚴(yán)重威脅飛行安全，通過(guò)LSP 技術(shù)進(jìn)行表面處理，可提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片性能，延長(zhǎng)其使用壽命。第二代和第三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料是多晶系（變形、鑄造）和定向凝固鎳基高溫合金，第四代渦輪葉片材料則以單晶高溫合金為主。周留成等[40–41]對(duì)鎳基高溫合金渦輪葉片經(jīng)LSP 處理后的抗疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明530 ℃下渦輪葉片高低周復(fù)合疲勞的安全壽命在振幅1.5 mm 時(shí)提高了1.63 倍，在振幅1.7 mm 時(shí)提高了1.32 倍。Lu 等[42–44]研究了LSP對(duì)單晶高溫合金微觀組織和基本力學(xué)性能的影響，觀察到在合金表面形成了厚度約0.3～0.6 mm 的表面硬化層（圖8），不僅顯著提升了材料表面的納米硬度，還限制了表層材料的滑移，使其具有更高的拉伸塑性。

圖8 LSP 處理后材料表面形成硬化層[42]Fig.8 Material surface forms a hardened layer after LSP treatment[42]

目前對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件LSP 工藝關(guān)注的共性問(wèn)題是材料在激光誘導(dǎo)沖擊波作用下的殘余應(yīng)力分布規(guī)律、組織結(jié)構(gòu)特征和演化機(jī)制、抗疲勞強(qiáng)化機(jī)理，以及合金鋼、鈦合金、鎳基高溫合金等典型材料在不同沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)下的力學(xué)性能表現(xiàn)[45]。

2 電子束表面改性技術(shù)

電子束分為連續(xù)型與脈沖型兩種，其中連續(xù)型電子束主要用于打孔、焊接和切割，脈沖型電子束主要用于金屬材料的表面改性。脈沖型電子束又細(xì)分為低能量密度長(zhǎng)脈沖電子束和高能量密度窄脈沖電子束，其中低能量密度長(zhǎng)脈沖電子束改性效果不顯著，實(shí)際應(yīng)用中更多使用高能量密度窄脈沖電子束，即強(qiáng)流脈沖電子束（High current pulsed electron beam，HCPEB）。

HCPEB 通過(guò)使用等離子體填充系統(tǒng)來(lái)提高電子束的持續(xù)時(shí)間和改善束流密度的均勻性，其基本原理如圖9 所示。供電系統(tǒng)輸出的加速電壓首先加載在電子槍陰極，電場(chǎng)被限制在靠近陰極的狹窄空間，引起電子爆發(fā)性激發(fā)，形成密集的陰極等離子體，與陽(yáng)極等離子體構(gòu)成雙層夾板結(jié)構(gòu)（稱作“陰陽(yáng)等離子體鞘層”），陰極加速電壓再轉(zhuǎn)加在鞘層兩側(cè)，就產(chǎn)生了強(qiáng)流脈沖電子束[46]。當(dāng)電子槍和電子束漂移空間充滿陽(yáng)極等離子體時(shí)，陰極電場(chǎng)強(qiáng)度和電子束導(dǎo)流系數(shù)都會(huì)得到較大程度的提高。

圖9 HCPEB 原理示意圖Fig.9 Schematic diagram of HCPEB principle

中國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、韓國(guó)、烏克蘭等都開(kāi)展了HCPEB 方面的研究工作，主要包括兩個(gè)方面：一是HCPEB 裝備的開(kāi)發(fā)；二是HCPEB輻照改性的機(jī)理和效果研究。俄羅斯是以HCPEB 裝置的研發(fā)和性能優(yōu)化為主，英國(guó)、韓國(guó)、烏克蘭則以HCPEB 對(duì)各種材料表面組織和性能的影響為主[47–51]。國(guó)內(nèi)，大連理工大學(xué)郝勝智教授團(tuán)隊(duì)在俄制HCPEB 裝置的基礎(chǔ)上，自主開(kāi)發(fā)研制了HOPE系列HCPEB 裝備，如圖10 所示，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的空白，具有完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系[52–54]；大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)[55–58]、江蘇大學(xué)團(tuán)隊(duì)[59–60]、東北大學(xué)團(tuán)隊(duì)[61–63]、重慶理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)[64]、大連理工大學(xué)（鞍山）研究院團(tuán)隊(duì)[65–66]等以HOPE 系列HCPEB裝置為基礎(chǔ)，針對(duì)不同金屬材質(zhì)在電子束作用下硬度、耐磨性、耐蝕性等的強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行深入研究，取得了一批研究成果。

圖10 HOPE–I 型HCPEB 裝備Fig.10 HOPE–I HCPEB system

HCPEB 表面改性與激光表面改性機(jī)制相近、工藝相似，按作用效果也可分為表面淬火、表面合金化、表面熔覆、表面非晶化、表面沖擊強(qiáng)化、表面薄層退火等。但相比激光表面改性，HCPEB 改性技術(shù)具有3個(gè)突出特點(diǎn)：一是能量轉(zhuǎn)換率高（約90%），改性區(qū)域精準(zhǔn)；二是能量主要在材料的次表層吸收，部件變形小，改性效果更好；三是真空氣氛下改性表面質(zhì)量高、二次污染小。目前HCPEB 針對(duì)航空部件的改性應(yīng)用還較少，主要研究方向是分析HCPEB輻照各種金屬及合金所產(chǎn)生的改性效果。

俄羅斯TOMSK 強(qiáng)電流研究所的Markov 等[67]率先開(kāi)展脈沖電子束系統(tǒng)電物理特性的原理研究、技術(shù)改造及HCPEB 與各種材料相互作用的特性研究；SKF 工業(yè)公司與美國(guó)空軍空氣動(dòng)力航空實(shí)驗(yàn)室合作，采用電子束表面淬火處理飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承套圈，結(jié)果表明處理后的軸承滾動(dòng)接觸表面硬化層深度達(dá)到0.76 mm，可有效抑制軸承套圈軸向疲勞裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展[68]。李旻才[55]使用HCPEB 輻照AZ91 鎂合金，通過(guò)選擇性蒸發(fā)提升表面Al 元素含量，發(fā)現(xiàn)鎂合金表層晶粒顯著細(xì)化，α–Mg 樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)镸g3.1Al0.9亞穩(wěn)相，大塊Mg17Al12顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的網(wǎng)狀物，形成非平衡表面復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，表面磨損速率降至改性前的47%以上，耐腐蝕性能提高1 個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖11 所示。

圖11 鎂合金經(jīng)HCPEB 處理后表層晶粒顯著細(xì)化[55]Fig.11 Crystalline grains in the magnesium alloy surface become distinctly finer after HCPEB treatment[55]

彭文海[57]使用HCPEB 輻照WC–10% Co 硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金表面生成厚度約為1 μm 的致密改性層，微米尺寸的碳化鎢晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅考{米尺寸的細(xì)小晶粒，其間還彌散分布著球狀納米石墨顆粒，HCPEB 處理后硬質(zhì)合金的表面硬度提高60%以上，耐磨性提高了3 倍以上。陳軍等[66]使用HCPEB 輻照M2 高速鋼，發(fā)現(xiàn)高速鋼表層發(fā)生重熔，重熔層組織細(xì)化致密，碳化物類型改變，碳化物顆粒尺寸減小，殘余奧氏體數(shù)量增加，如圖12 所示；經(jīng)15 個(gè)HCPEB 脈沖處理后，表面硬度提高53.5%，磨損體積減小16.5%，紅硬性提高19.2%，如圖13 所示。高波等[61]使用HCPEB 處理純鈦，發(fā)現(xiàn)處理后材料的X 射線衍射峰出現(xiàn)寬化和向高角度偏移的現(xiàn)象，說(shuō)明材料表面晶粒細(xì)化，表面應(yīng)力降低，晶格常數(shù)減小，同時(shí)由于電子束的凈化作用，降低了表面雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，使自腐蝕電流密度降低為處理前的25%以下。蔡杰等[59]使用HCPEB輻照NiCoCrAlYSiHf 涂層，發(fā)現(xiàn)原始涂層的制備缺陷消失，涂層表面變得平整致密（圖14），形成了豐富的變形結(jié)構(gòu)和均勻的活性元素析出相（圖15），改性后的涂層熱生長(zhǎng)氧化物穩(wěn)定性更高，還具有更高的抗熱循環(huán)性能。關(guān)慶豐等[69]利用HCPEB對(duì)TC4 鈦合金表面進(jìn)行Cr 合金化處理，發(fā)現(xiàn)表層不僅形成了數(shù)微米的Cr 合金層，同時(shí)還發(fā)生了馬氏體相變，形成大量板條馬氏體組織，表面顯微硬度與耐蝕性能均得到顯著提高（圖16）。

圖12 不同脈沖次數(shù)HCPEB 處理前后M2 高速鋼XRD 圖譜[66]Fig.12 XRD patterns of M2 HSS irradiated with different HCPEB pulses[66]

圖13 不同脈沖次數(shù)HCPEB 處理前后M2 高速鋼表面耐磨性能變化[66]Fig.13 Wear resistance of M2 HSS irradiated with different HCPEB pulses[66]

圖14 HCPEB 處理后NiCoCrAlYSiHf 涂層表面變得平整致密，形成重熔層[59]Fig.14 NiCoCrAlYSiHf coatings become flat, compact,and form a remolten layer after HCPEB treatment[59]

圖16 HCPEB 處理后TC4 鈦合金表面顯微硬度提高、腐蝕電位提高[69]Fig.16 Surface microhardness and corrosion resistance of TC4 titanium alloy are obviously improved after HCPEB treatment[69]

3 離子束表面改性技術(shù)

離子束表面改性是指在真空環(huán)境中利用離子束改變材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和改善應(yīng)力狀況，賦予材料表面特定性能，使其表面與心部獲得最優(yōu)的性能組合，從而有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命[70]。離子束表面改性主要包括強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)和離子束輔助沉積技術(shù)。

3.1 強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)

20 世紀(jì)70 年代中期，在慣性約束核聚變和高能物理研究的基礎(chǔ)上發(fā)展出了強(qiáng)流脈沖離子束（High current pulsed ion beam，HCPIB）技術(shù)，高能量密度離子束輻照使材料表面快速升溫，發(fā)生熔化、氣化，隨后又快速降溫，同時(shí)燒蝕等離子體蒸氣膨脹產(chǎn)生沖擊波，熱力共同作用下材料表面形貌、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分變化，進(jìn)而使表面性能發(fā)生改變[71]。HCPIB 裝備主要由高壓直流電源、初級(jí)能源Max 發(fā)生器、脈沖形成線、真空離子二極管等構(gòu)成，基本原理如圖17 所示，利用高壓直流電源給初級(jí)能源系統(tǒng)充電，當(dāng)達(dá)到設(shè)定充電電壓時(shí)，觸發(fā)器控制點(diǎn)火，使電容器串聯(lián)向脈沖形成線放電，脈沖形成線將初級(jí)能源輸出的微秒級(jí)高壓脈沖轉(zhuǎn)化為納秒級(jí)高壓脈沖，傳輸?shù)秸婵针x子二極管，加速和引出離子束[72]。

圖17 HCPIB 原理示意圖Fig.17 Schematic diagram of HCPIB principle

中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、日本、德國(guó)在HCPIB 技術(shù)領(lǐng)域的研究走在世界前列，但目前HCPIB 針對(duì)航空部件的改性應(yīng)用還較少，研究工作更多地集中在金屬材料表面強(qiáng)化方面。王旭[73]使用HCPIB 輻照316L 不銹鋼，發(fā)現(xiàn)隨輻照強(qiáng)度的增大和輻照次數(shù)的增加，不銹鋼表面均呈現(xiàn)光滑化趨勢(shì)，材料表面形成非晶和納米晶結(jié)構(gòu)，近表層產(chǎn)生大量位錯(cuò)、孿晶等亞結(jié)構(gòu)，顯微硬度提高；在表面光滑化、非晶化、晶粒細(xì)化、雜質(zhì)選擇性燒蝕等作用下，不銹鋼表面摩擦系數(shù)降低（圖18），磨損量減少，耐電化學(xué)腐蝕性能顯著提高。李朋[74]使用HCPIB 輻照AZ31 鎂合金，發(fā)現(xiàn)鎂合金表面形成了以局部燒蝕坑和熔融擾動(dòng)為主要特征的燒蝕形貌，隨著離子束流密度和輻照次數(shù)的增加，熔化層和熱影響區(qū)的顯微組織發(fā)生明顯細(xì)化；經(jīng)HCPIB 輻照，鎂合金表面發(fā)生快速熔化和凝固，表面化學(xué)成分趨于均勻化，第二相β–Mg17Al12分布均勻，5 次輻照試樣具有優(yōu)異的抗蝕性能，腐蝕電位和孔蝕擊穿電位分別提高約560 mV 和630 mV，10 次輻照試樣具有優(yōu)異的耐磨減磨性能，載荷0.5 N 時(shí)摩擦系數(shù)降低了13.3%，如圖19 所示。顏莎等[75]發(fā)現(xiàn)45 號(hào)鋼和純鋁使用HCPIB 輻照后，束流密度足夠的情況下能在約160 μm 的深度范圍內(nèi)提高材料表面的顯微硬度，如圖20 所示，并使用應(yīng)力波的形成和傳播對(duì)顯微硬度雙峰現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。

圖18 不同脈沖次數(shù)HCPIB 處理后316L不銹鋼的摩擦系數(shù)變化[73]Fig.18 Changes in friction coefficient of 316L stainless steel treated with different HCPIB pulses[73]

圖19 HCPIB 輻照前后AZ31 鎂合金摩擦系數(shù)的變化[74]Fig.19 Changes in friction coefficient of AZ31 magnesium alloy before and after HCPIB irradiation[74]

圖20 HPCIB 處理后45#鋼顯微硬度的深度分布[75]Fig.20 Microhardness of 45# steel at different depths after HCPIB treatment[75]

HCPIB 的改性機(jī)理、技術(shù)特點(diǎn)與強(qiáng)流脈沖電子束相似，適用范圍廣泛，金屬（鈦合金、鎂合金、硬質(zhì)合金、高溫合金、不銹鋼、高速鋼和軸承鋼等）、涂層（熱障涂層、復(fù)合氮化物涂層和陶瓷涂層等）均可得到有效處理[76]。

3.2 離子束輔助沉積技術(shù)

離子束輔助沉積（Ion beam assisted deposition，IBAD）是在工件表面先鍍一層納米薄膜，然后使用高能離子脈沖對(duì)薄膜進(jìn)行沖擊，一方面加速薄膜沉積速率，另一方面改善薄膜與基體之間的結(jié)合效果[77]。IBAD是蒸發(fā)鍍膜與離子注入兩種工藝的有機(jī)結(jié)合，蒸發(fā)鍍膜設(shè)備簡(jiǎn)單，適用材料廣泛，但鍍出的膜結(jié)構(gòu)松弛、性能不穩(wěn)定；離子束輔助沉積使注入離子與蒸發(fā)原子發(fā)生動(dòng)態(tài)混合，形成新的合金和化合物，膜層變得致密均勻，膜基結(jié)合力、穩(wěn)定性和力學(xué)性能均得到顯著提高。IBAD 裝備是在蒸發(fā)鍍膜裝備的基礎(chǔ)上附加離子源得到的[78]，基本原理如圖21 所示。

圖21 IBAD 原理示意圖[78]Fig.21 Schematic diagram of IBAD principle[78]

IBAD 將離子注入與薄膜沉積相結(jié)合，可在高真空下成膜，得到的薄膜雜質(zhì)少、純度高，還可對(duì)成膜條件獨(dú)立控制，具有較高的重復(fù)性。楊鵬云等[79]使用IBAD 在Si 片上沉積Ta/Zr 薄膜，發(fā)現(xiàn)薄膜的沉積速率隨輔源能量的增加而減小，而表面粗糙度隨輔源能量的增加先減小后增加。陳丹丹[80]使用IBAD 制備Ag–Ti–Cu/MoS2復(fù)合薄膜，發(fā)現(xiàn)摻雜金屬元素與MoS2的潤(rùn)濕性越好，越容易實(shí)現(xiàn)層狀生長(zhǎng)；Cu、Ag 屬于韌性相，摻雜使薄膜增韌效果顯著，Ti 屬于硬質(zhì)相，摻雜使增硬效果顯著。李綿[81]采用常規(guī)技術(shù)制備激光薄膜，發(fā)現(xiàn)薄膜折射率、激光損傷閾值在高真空條件下普遍較低，使用IBAD 高能離子轟擊后，薄膜表面粗糙度明顯降低，最低為1.12 nm，損傷閾值提高15.44%。

航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零部件多發(fā)微動(dòng)磨損，其主要防護(hù)措施是制備固體潤(rùn)滑涂層，包括MoS2薄膜涂層、WS2薄膜涂層和類金剛石碳膜涂層等，在這方面IBAD 因具有不改變固有尺寸、可制備多種涂層、工藝靈活的特點(diǎn)而成為主體技術(shù)[76]。

4 高能束表面改性技術(shù)對(duì)比

高能束表面改性技術(shù)適用于各種金屬與合金，既能有效修復(fù)表面損傷，又能顯著提升表面性能，其中LTH、LC、LSP、IBAD 在航空制造、航空修理領(lǐng)域已占有一席之地，HCPEB、HCPIB 雖對(duì)航空部件的改性應(yīng)用較少，但對(duì)金屬材料的改性研究已相當(dāng)廣泛而深入，這6 種高能束表面改性技術(shù)的綜合比較如表1 所示。

表1 高能束表面改性技術(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of high energy beam surface modification technologies

5 結(jié)論

本文對(duì)6 種高能束表面改性技術(shù)（LTH、LC、LSP、HCPEB、HCPIB、IBAD）的基本原理、設(shè)備構(gòu)成和改性應(yīng)用進(jìn)行了綜述，其中LTH 與LC已較為成熟，進(jìn)一步研究重點(diǎn)在于就LTH 機(jī)理達(dá)成一致和控制LC 裂紋缺陷；LSP 可有效解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件高周疲勞斷裂問(wèn)題，是航空領(lǐng)域最受關(guān)注的高能束表面改性技術(shù)；HCPEB、HCPIB 一方面需要提高設(shè)備的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，另一方面要針對(duì)航空部件應(yīng)用開(kāi)展深入研究；IBAD 則通過(guò)制備固體潤(rùn)滑涂層實(shí)現(xiàn)了對(duì)微動(dòng)磨損的有效防護(hù)和修復(fù)。

鑒于高能束表面改性的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，未來(lái)有3 個(gè)研究方向值得重視：一是激光束、電子束、離子束輻照不同材料進(jìn)行表面改性的機(jī)理研究仍需深入開(kāi)展；二是提高高能束表面改性裝備的穩(wěn)定化、專業(yè)化、自動(dòng)化和智能化，進(jìn)一步滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求；三是發(fā)展激光束、電子束、離子束等技術(shù)的組合使用，以實(shí)現(xiàn)束源的復(fù)合與集成，進(jìn)而推進(jìn)材料表面改性的高品質(zhì)、高效率、多功能及一體化發(fā)展。