电子束表面改性的研究进展

赵 晖，王金川，杜春燕，王思润，王 震，田志宇

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

20世纪60年代，英国原子武器研究中心的J.C.Martin率先研制出一种高功率脉冲装置，该装置可产生强流脉冲电子束[1]。但直到70年代，强流脉冲电子束才慢慢在材料表面改性的方面得到各国科学家的重视。主要是利用高能电子束的热源作用使材料表面温度迅速升高，表层成分和组织结构发生变化，进而提高材料表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性能，从而延长处理件的服役寿命。最初该技术的研究与应用，只是对其在表面淬火、合金化、半导体退火和辐照损伤等方面的作用进行了试探性的研究[2-3]。

随着研究的深入和设备的更新换代，现在真空中电子束能量利用率可以达到90%，非真空电子束能量利用率也可以达到60%。和激光相比，电子束的反射率更低，利用率更高。电子束表面改性无需保护气体，工件无氧化、无脱碳、无污染。电子束设备功率大，表面改性时材料加热和冷却的速度非常快。可以达到常规热处理几个小时甚至十几个小时的处理效果。另外，可以用计算机控制加工过程，精确控制材料的熔深、加热温度、加速电压和电流等工艺参数。

电子束表面改性技术早在上世纪就应用在工业生产中。上世纪70年代末美国克莱勒斯公司引进Sciaky公司的电子束系统进行离合器零件指定部位淬火处理，解决了其他方法不能解决的问题[4]。80年代中期，日本五十铃6B系列发动机挺杆采用电子束淬火来提高硬度[5]。现在电子束表面处理技术应用范围更加广阔，如卡车和越野车传动齿轮、石油及采矿隔膜组件中的石位组件与油箱管、高能物理超导腔、飞机发动机外壳、军用飞机部件等零件的加工领域。根据不同的工艺参数，电子束表面处理技术可以分为电子束表面相变强化、重熔处理、合金化、熔敷、非晶化处理、薄层退火、表面抛光[6-9]等诸多种类。

1 电子束表面改性国外研究进展

电子束表面改性在国外研究范围广泛，主要集中在欧美和亚洲国家。电子束表面改性在国外发展趋势是由表面淬火和简单的合金化逐步发展为利用电子束表面改性与其它表面改性技术相结合的复合表面处理技术。

Jun Cheol Oh等[10]利用电子束分别将TiB2和TiC粉末在钛基板上进行合金化，硬度得到提高，在450℃可以维持480VHN，提高了钛的高温硬度。Euh Kwangjun等[11]利用高能电子束辐照将VC粉末在普通碳钢表面合金化，改性后的表面层硬度比基体提高四倍。D.Utu等[12]利用电子束对涂覆氮化硼粉末的工业纯钛表面合金化后发现，处理后的钛合金表面磨损速率是原始样品的0.1倍。G.Marginean等[13]采用高速氧燃料热喷涂技术将WC-Co Cr金属陶瓷粉末喷涂在铬镍铁合金基板上，然后进行电子束辐照。合金化后的材料表面硬度比仅热喷涂之后的表面硬度提高195HV，耐磨性和耐NaCl溶液腐蚀性也明显提高。Rainer等[14]通过合金化重熔和合金化实验发现，利用电子束将Cu38Ni在AlSi35基板上合金化后，硬度提高了7倍，耐磨性得到明显提高。S.F.Gnyusov等[15]利用电子束将M2高速钢粉末熔覆在碳素钢基体上后发现材料的耐磨性明显增强。J.C.Walkera等[16]在进行Ti6Al4V钛合金电子束表面处理后发现材料的表面粗糙度降低，耐腐蚀性增强。Kim Jisoo等[17]发现经过电子束表面处理之后KP1模具钢和KP4模具钢的耐腐蚀性和耐磨性明显改善，而且纳米硬度升高。K.Fritzsch等[18]利用热喷涂技术将铝硅混合粉末制备在镁合金表面上，随后进行电子束改性；结果发现改性后材料摩擦系数与基材相比降低50%，腐蚀电流密度降低至原始试样的1/3。Anne Jung等[19]采用等离子渗氮和电子束辐照处理相结合的复合处理技术对铝合金进行表面处理，结果发现处理后的材料表面硬度与基体相比提高了1倍，磨损量仅有基体的1/10。Claudia等[20]利用加速电压150kV的电子束对Ti6Al4V钛合金辐照发现改性后的钛合金表面硬度最高可达到460HV，比基体硬度提高了25%。D V.Lazurenko等[21]利用电子束将Ti-Al粉末在工业纯钛表面熔覆处理，电子束脉冲电流18mA，扫描速度10mm/s。发现改性层硬度最高可达610HV。M ormanova等[22]进行了电子束与等离子体渗氮的表面复合处理，处理后工具钢表面硬度最高可达760kg/mm2。G.Gotzmann等[23]分别利用磁控溅射、等离子体化学气相沉积和阴极电弧沉积技术在不锈钢表面制备类金刚石薄膜，然后进行电子束表面改性处理，发现电子束改性后类金刚石薄膜的亲水性增加，细胞附着力降低至未经电子束改性处理样品的30%。P Hollmann等[24]对磁控溅射TiAlN薄膜后的51CrV4弹簧钢进行电子束硬化处理，得到无裂纹的改性层，表明了磁控溅射与电子束表面改性技术的复合处理技术可行性。D A College等[25]对用电子束辐照后的工具钢进行低温处理，使拉伸残余应力降低了28%，实验结果表明了低温处理与电子束表面改性的复合处理技术可以延长工具钢的使用寿命。

总结表明，电子束改性技术与PVD和CVD结合成的表面复合处理技术可以进一步提高材料的表面性能。其中磁控溅射、热喷涂、阴极电弧沉积、等离子渗氮与电子束表面改性技术的结合可以制备出无裂纹的改性层、提高金属基体与改性层的结合力、降低残余应力，提高材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性。

2 电子束表面改性国内研究进展

2.1 黑色金属电子束表面改性

2.1.1 模具钢电子束表面改性

模具是工业生产中重要的工艺装备，其工作条件恶劣，经常出现磨损、开裂、塑性变形等失效形式。因此模具钢应具有高硬度、高强度和高耐磨性、足够的韧性以及高淬透性和高淬硬性。

韩超[26]进行3Cr2W8V电子束合金化后发现材料表面硬度提高，3Cr2W8V电子束合金化Al的试样和电子束直接辐照3Cr2W8V模具钢试样的耐磨性增强。电子束处理表面粗糙度为0.486μm的3Cr2W8V模具钢后，材料表面粗糙度会下降到0.455μm；电子束处理表面粗糙度为0.076μm的3Cr2W8V模具钢后，材料表面粗糙度会升高至0.301μm，这表明电子束改性可以改变材料表面粗糙度，进而影响材料的耐磨性。吴爱民等[27]在利用电子束进行D2模具钢和H13模具钢表面改性后发现，晶粒细化，材料耐磨性增强。Lu Jian等[28]发现3Cr2Mo模具钢被电子束处理后粗糙度降低。

经过电子束辐照后，模具钢表面会形成细小的碳化物，并且发生奥氏体向针状马氏体转变，晶粒更加细化。表明电子束表面改性可以使模具钢的硬度增加，提高耐磨性和耐腐蚀性。

2.1.2 高速钢电子束表面改性

高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。为了延长高速钢的使用寿命，进行高速钢电子束表面改性。

赵晖等[29-30]在进行脉冲电子束处理高速钢表面时发现材料的近表面层冷却、收缩，形成了材料表面变形；随着脉冲电子束脉冲次数和电子束流密度的增加，产生的波浪变形也越严重。脉冲电子束处理高速钢后会形成热影响区，材料的表面硬度、耐磨性得到增强[31]。李生志等[32]发现经强脉冲电子束处理后，高速钢表面形成一些弥散分布的火山口状熔坑；随着脉冲次数的增加，试样表面微区变得光滑、熔坑密度明显降低、熔坑之间的界限变得模糊；经强脉冲电子束处理后熔坑处硬度提高1倍，耐腐蚀性能明显增强。与原始试样相比，随着脉冲电子束处理高速钢次数的增加，材料表面的显微硬度和耐腐蚀性能增加。

高速钢经过电子束表面处理之后材料的表面微区变得光滑，晶粒明显得到细化，碳化物更加细小且分布更加均匀；同时表层残余奥氏体量增加,有助于耐腐蚀和耐磨性能的提高。

2.2 有色金属电子束表面改性

2.2.1 钛合金电子束表面改性

钛合金密度小、比强度高，在航空航天、交通和医学等领域有很好的应用前景。但是钛合金的硬度低，表面摩擦系数大，摩擦和磨损抗力低，需要进行表面改性，赋予它更高的硬度、耐磨和耐腐蚀性。

张向东等[33-34]发现TA15经过强脉冲电子束处理后，材料发生了固态相变，处理后样品的耐腐蚀性能提高。在处理纯钛样品时，材料表面的低熔点杂质由于电子束高温汽化，从而产生净化作用。材料表面快速熔化并冷却，表面硬度显著升高，磨痕宽度减小，耐磨性和耐腐蚀性能提高。高玉魁等[35-36]发现了强脉冲电子束改性技术可改善TB6钛合金的表面粗糙度，使晶粒细化从而提高改性层硬度。许海鹰等[37]发现了电子束的能量增大会使影响层的熔深增加，并且伴随着粗大晶粒的出现。

强流脉冲电子束照射到钛合金表面后，材料表面温度极速升高，升温速度可达109K/s以上，温度到达了β相转变温度以上，由于加热时间非常短，热量传导到基板极速冷却，β相向马氏体转变形成自淬火，晶粒来不及长大形成细小的针状马氏体。晶粒细化和位错密度增加，使表面硬度提高。由于硬度增加，材料表面粘着度降低，耐磨性也相应增加。晶粒细化和组织均匀有利于在钛合金表面生成TiO2氧化膜，提高材料的耐腐蚀性。

2.2.2 铝合金电子束表面改性

铝及其合金，具有密度小，比强度高，延展性、导电性和导热性优良，无低温脆性，回收利用率高等优点。但是，铝合金的表面硬度比较低，耐磨性差。表面的氧化铝薄膜也很薄，而且疏松容易脱落。因此对铝合金表面改性和强化有重要意义。

周琦等[38]在利用电子束进行ZL109铝合金重熔和合金化处理后，发现硬度和剪切强度得到提高。李刚等[39]在对LY12铝合金表面进行高能电子束轰击改性处理后，发现材料耐腐蚀性能明显提高。信卫坡[40]利用电子束进行铝合金表面强化处理，形成的改性层厚度可达0.5～3.5mm，材料表面的显微组织及晶粒细化，表面硬度大幅度提高，是基体硬度的1.39倍，并提高了材料的耐磨性。Wang Rong[41]等将1Cr13不锈钢粉末预涂在6061铝表面进行电子束合金化，改性层的硬度是基体的4倍，耐磨性也明显改善。

利用电子束进行铝合金表面改性，表面层快速熔化，利用基体金属的传热，在较大的过冷度条件下进行结晶，由于温度场和应力场耦合作用，形核率增加，晶粒来不及长大，晶粒高度细化，铝合金的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和剪切强度明显提高。

2.2.3 镁合金电子束表面改性

镁合金是结构材料中密度最小的金属，是航空工业使用的重要材料。但镁合金强度低、硬度低、耐磨性及耐腐蚀性差，需要进行改性处理后才能实现其良好机械性能。

曹辉等[42]发现将铝粉涂覆在纯镁表面进行电子束合金化处理后，样品抗5%NaCl溶液腐蚀性能得到显著提高，AZ31以及AZ91HP镁合金表面合金化Cr、TiN后，耐磨性均得到提高。李旻才等[43]发现利用强流脉冲电子束进行AZ91铸造镁合金表面改性，镁合金表面成分均匀化，并形成细小的复合纳米网状结构。改性后AZ91镁合金的表面显微硬度和耐磨性能得到显著提高，经过8次脉冲处理的样品表面显微硬度由原始62.7HK提高到119.4HK，磨损速率由0.01126mm3/min降至0.00173mm3/min。Li.M.C等[44]进行镁合金电子束表面改性，加速电压27kV，能量密度3J/cm2，脉冲持续时间2.5s。经过15个脉冲之后，相结构变为纳米尺度结构，硬度明显提升；用电化学方法在3.5%NaCl溶液中测试了表面耐腐蚀性能，材料耐腐蚀性能也明显改善。Ye Hong等[45]利用电子束处理AZ31B镁合金，发现镁合金表面硬度明显提高，与原始样品相比磨损量减少7%，耐腐蚀性也有明显提高。

电子束加工过程中快速熔凝导致材料表面晶粒细化，高硬度的β相增加，使材料获得较好的表面性能。这表明了采用电子束进行镁合金表面改性，可以使镁合金硬度增强、耐磨性和耐腐蚀性明显改善。

总结得出，利用电子束可以使金属材料表面极速升温和降温，产生自淬火效果使相结构转变，得到细化的晶粒。并且电子束的高温使材料表面低熔点的杂质汽化从而产生表面净化作用。电子束也可以对预先涂层或覆膜的金属材料进行合金化和熔覆，改变材料的表面性能。根据电子束改性技术的工艺原理可以实现多种类金属材料表面改性。在进行电子束表面改性处理的过程中要合理优化工艺参数，防止粗大晶粒、裂纹和高密度熔坑的产生，影响材料表面性能。电子束表面改性和其他表面处理的复合表面处理技术可以实现单一表面处理技术无法完成的工作，进一步提高材料表面性能。

3 结束语

电子束表面改性经过了几十年的发展，可以实现多种类金属表面改性。电子束表面改性及其复合处理技术可以进一步提高材料硬度、耐磨性、耐腐蚀性。但是，目前基于成本和设备条件的考虑，电子束表面改性多应用于小构件、表面局部部位以及工况极苛刻的工件表面处理，而且电子束表面改性后材料中存在残余应力引发裂纹，限制了电子束表面改性的应用。可以深入研究以下几个方面：

(1)电子束与材料交互作用机理。研究电子束与材料交互作用机理，控制电子束高温带来的残余应力、裂纹和熔坑，细化晶粒，提高熔覆层与基体的结合力，可以进一步提高材料的使用寿命。

(2)优化工艺参数。工业应用需求的增加、新型电子束设备的研发，电子束表面改性及其复合处理工艺更加复杂。因此优化工艺参数也将成为电子束表面改性的研究重点。

(3)电子束设备研发。要实现大构件、大面积和自动化的电子束表面处理，摆脱真空室尺寸的限制，这就需要研制功率、能量利用率和自动化程度更高的非真空电子束设备。