專利名稱：基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對金屬工件表面加工處理技術(shù)的改進，具體指對金屬工件的表面利用大面積電子束進行快速涂覆并合金化的方法及裝置，主要用于工件表面的強化和鍍膜，屬于材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
材料表面技術(shù)是近年來研究比較熱門的領(lǐng)域，其中，表面合金化工藝是表面強化技術(shù)中最有前途的工藝方法。利用這種工藝可在一些表面性能差、價格便宜的基體金屬表面制出耐磨，耐蝕、耐高溫的表面合金，用于取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴重金屬材料和戰(zhàn)略材料，使廉價合金獲得更廣泛的應(yīng)用，從而大幅度降低成本。另外，它還可用來制造出在性能上比傳統(tǒng)方法更優(yōu)的表面涂層，由于材料表面重熔引起晶界原子的迅速擴散，從而讓表面的合金與齒輪基體很好的結(jié)合，齒輪表面電子束合金化處理獲得的金屬膜和金屬基體為一個整體，避免了類似于涂層的剝落，解決了一般涂覆薄膜材料的結(jié)合力不足問題。這種工藝可根據(jù)工件表面性能的要求，合理地選擇合金元素，從而在普通基材表面獲得特殊性能的合金層，這項工藝的優(yōu)點還表現(xiàn)在它的處理區(qū)域的高度局部性和合金粉末選擇的靈活性上。同時也可以在基體較輕的結(jié)構(gòu)材料表面制作表面性能較強的膜，既解決了工件設(shè)計的輕量化，同時也解決了高性能材料基體太脆韌性不夠的問題。近十幾年來，利用脈沖高能密束(電子束、離子束、激光束)進行金屬材料表面精整加工和改性得到了迅速發(fā)展。當高能量密度的射束作用到材料表面時，大量的能量會在短時間里沉積在材料表面的薄層中，被加熱層的溫度迅速升高，導(dǎo)致局部熔化、汽化等現(xiàn)象。當輸入能量結(jié)束時，工件表面會急速冷卻。經(jīng)過這幾個過程的綜合作用，材料表面層的性質(zhì)會發(fā)生明顯地變化。這樣就可以使材料表面具有用常規(guī)方法難以達到的物理、化學(xué)或力學(xué)性質(zhì)。利用電子束技術(shù)，使基體材料表面薄層與根據(jù)需要加入的合金元素同時快速熔化、混合，形成厚度為幾個um到I個mm的表面熔化層，熔化層由于常溫基體的作用快速冷卻下來，冷卻速度可達106°C / s 108°C / s，相當于急冷淬火技術(shù)所能達到的冷卻速度，又由于熔化層液體內(nèi)存在著擴散作用和表面張力效應(yīng)等物理現(xiàn)象，使材料表面僅在很短時間內(nèi)就形成了具有要求深度和化學(xué)成份的表面合金化層。使用電子束進行加工，一般都是把電子束經(jīng)過聚焦變成很細的高密度能束之后，用于精密切割和高功能精密焊接等方面的加工。與此相反，這里將要介紹的電子束照射裝置是能對大面積產(chǎn)生較均勻的高能量密度的電子束。國內(nèi)外材料表面合金化技術(shù)主要包括
①利用激光進行材料表面合金化。近幾年的研究，多集中在以激光作為高密度能源的表面合金化工藝方面。這種以激光為高密度能源的表面合金化技術(shù)，存在著以下問題首先，現(xiàn)有的激光表面合金化研究，多采用單光束斑，由于束斑的能量密度分布不均勻，難以獲得表面平整的合金層；另外，由于激光寬帶掃描裝備尚未成熟，難以得到寬帶堿灰表面合金層，而且，激光器的能量轉(zhuǎn)換效率低，因此，激光表面合金化技術(shù)離實用化階段還很遙遠。②利用電子束進行表面合金化。在材料表面預(yù)涂覆合金元素，利用電子束能量瞬間沉積在材料次表層很小的區(qū)域內(nèi)，從而使材料極快速地升溫到相變溫度或熔化溫度以上，實現(xiàn)合金化的過程。傳統(tǒng)的電子束材料表面合金化需要在別的設(shè)備上預(yù)先涂覆合金層，而且其采用的圓形截面電子束加工，束斑重疊區(qū)域能量分布不均勻，材料表面應(yīng)力集中，力口工效率相對較低。
因此，激光由于束斑的能量密度分布不均勻，能量轉(zhuǎn)換效率低，傳統(tǒng)的電子束材料表面合金化需要在別的設(shè)備上預(yù)先涂覆合金層，加工效率低。所以需要設(shè)計一種適合金屬零件的表面快速涂覆重熔方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)效率高、且表面應(yīng)力分布均勻的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔方法及裝置。本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)手段是這樣實現(xiàn)的
基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔方法，其步驟為
1)將所需涂覆的合金粉末利用混合劑制成膏狀混料并封裝到擠壓頭中；
2)將待加工工件置于真空環(huán)境中并放在工作臺上，工作臺可由工作臺控制系統(tǒng)控制其勻速運動；
3)擠壓頭擠出混料進行工件表面涂覆，同時由工作臺控制系統(tǒng)控制工作臺并帶動工件向前運動，在工件運動過程中，擠壓頭不斷擠出新的混料涂覆在經(jīng)過擠壓頭下方的工件表面，從而使工件表面均勻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畢時停止涂覆；
4)當工件初始涂覆部分移動到電子束源正下方的時候，電子束源即開始發(fā)出電子束照射到涂覆層上面進行熔覆，直到工件所有涂覆部分熔覆時為止，從而實現(xiàn)邊涂覆邊熔覆的效果，最終實現(xiàn)工件表面快速涂覆重熔。所述膏狀混料中加有固體顆粒潤滑劑。所述工件和電子束源之間設(shè)有光闌，以使選定區(qū)域的電子束通過光闌照射到工件表面。所述光闌為鑰光闌。基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，它包括真空室，在真空室外設(shè)有電子束源和擠壓頭，電子束源產(chǎn)生的電子束可進入真空室內(nèi)，擠壓頭用于放置需要涂覆的合金元素并將合金元素擠壓出來涂覆在工件上，擠壓頭的出口豎直向下位于真空室內(nèi)；在真空室內(nèi)設(shè)有工作臺和光闌，工作臺用于放置工件并受設(shè)于真空室外的工作臺控制系統(tǒng)控制而帶動工件水平移動；光闌位于電子束源正下方僅讓部分電子束選擇性通過以照射工件。所述真空室外設(shè)有真空系統(tǒng)，真空系統(tǒng)用于對真空室抽真空以達到需要的真空度。所述真空室壁上設(shè)有觀察真空室內(nèi)狀況的觀察視窗。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
I、這種工藝可根據(jù)工件表面性能的要 求，合理地選擇合金元素和合金粉末，合金可以是一種、也可以是多種、也可以是合金和潤滑劑混合成自潤滑合金膜。2、加工效率高。邊涂覆邊熔覆，合金涂覆和合金熔覆在同一工藝完成。3、熔覆質(zhì)量均勻，易于控制，電子束照射裝置是采用的大面積高能量密度的電子束。4、熔覆層結(jié)合力強。材料表面重熔引起晶界原子的迅速擴散，從而讓表面的合金與金屬基體很好的結(jié)合，基體表面電子束合金化處理獲得的金屬膜和金屬基體為一個整體，避免了類似于涂層的剝落，解決了一般涂覆薄膜材料的結(jié)合力不足問題。


圖I一本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I-電子束源；2_擠壓頭；3_真空室；4-光闌；5-工件；6_工作臺控制系統(tǒng)；7-工作臺；8_真空系統(tǒng)；9-電子束；10-觀察視窗。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔方法，其步驟為
1)將所需涂覆的合金粉末利用混合劑制成膏狀混料并封裝到擠壓頭中；
2)將待加工工件置于真空環(huán)境中并放在工作臺上，工作臺可由工作臺控制系統(tǒng)控制其勻速運動；
3)擠壓頭擠出混料進行工件表面涂覆，同時由工作臺控制系統(tǒng)控制工作臺并帶動工件向前運動，在工件運動過程中，擠壓頭不斷擠出新的混料涂覆在經(jīng)過擠壓頭下方的工件表面，從而使工件表面均勻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畢時停止涂覆；
4)當工件初始涂覆部分移動到電子束源正下方的時候，電子束源即開始發(fā)出電子束照射到涂覆層上面進行熔覆，直到工件所有涂覆部分熔覆時為止，從而實現(xiàn)邊涂覆邊熔覆的效果，最終實現(xiàn)工件表面快速涂覆重熔。所述膏狀混料中加有固體顆粒潤滑劑。所述工件和電子束源之間設(shè)有光闌，以使選定區(qū)域的電子束通過光闌照射到工件表面。所述光闌為鑰光闌。通過光闌使電子束能量均勻地照射到工件表面。如圖I所示，本發(fā)明基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，它包括真空室3，在真空室3外上方設(shè)有電子束源I和擠壓頭2，電子束源I產(chǎn)生的電子束9可進入真空室3內(nèi)，擠壓頭2用于放置需要涂覆的合金元素并將合金元素擠壓出來涂覆在工件上，擠壓頭2的出口豎直向下位于真空室3內(nèi)。在真空室3內(nèi)設(shè)有工作臺7和光闌4，工作臺7用于放置工件并受設(shè)于真空室外的工作臺控制系統(tǒng)6控制而帶動工件5水平移動。光闌4位于電子束源I正下方僅讓部分電子束選擇性通過以照射工件，光闌4為鑰光闌。圖中，9是電子束，5是工件。所述真空室3外設(shè)有真空系統(tǒng)8，真空系統(tǒng)用于對真空室抽真空以達到需要的真空度。
所述真空室3壁上設(shè)有觀察真空室內(nèi)狀況的觀察視窗10。其中電子束源為大面積電子束源，可以采用俄羅斯的“Nadezhda-2”型強流脈沖電子束(HCPEB)裝置等同類現(xiàn)有設(shè)備，其固定在真空室頂上；鑰光闌固定在真空室內(nèi)壁上。本裝置使用方法和操作步驟如下
I、首先，將合適尺寸的所需成份的合金粉末利用混合劑制成牙膏裝的制劑，封裝到擠壓頭2中，可以根據(jù)需要在里面混入固體潤滑劑顆粒。2、將工件5放在工作臺7上，使其在電子束源I和擠壓頭2的下方；使用真空系統(tǒng)8將真空室3中的真空抽到符合加工要求的真空度；
3、根據(jù)工件5的零件特征和加工要求，控制擠壓頭2擠出混料進行工件表面涂覆，完成以后工作臺控制系統(tǒng)6控制工作臺7向前移動，同時擠壓頭2擠出新的混料依次進行工件5其余表面的涂覆。4、當初始涂覆部分移動到電子束源I正下方的時候，電子束源I即發(fā)出具有大面積特性的電子束9，經(jīng)過光闌4以后照射到涂覆層上面，進行熔覆。由于工作臺一直在移動，涂覆過程一直在進行，熔覆過程也一直在進行，即邊涂覆邊熔覆，直到結(jié)束為止。5、工件表面在電子束能量照射下局部熔化，經(jīng)過以上步驟擠壓頭涂覆和電子束熔覆后，涂覆層和金屬基體結(jié)合緊密，由于金屬表面迅速冷卻，從而獲得粗糙度低、表面應(yīng)力均勻、耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良的表面質(zhì)量，同時由于里面加有固體顆粒潤滑劑，具有一定的自潤滑性能。采用本發(fā)明具有精度高、操作自動化程度高、加工周期短等優(yōu)點。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔方法，其特征在于其步驟為 1)將所需涂覆的合金粉末利用混合劑制成膏狀混料并封裝到擠壓頭中； 2)將待加工工件置于真空環(huán)境中并放在工作臺上，工作臺可由工作臺控制系統(tǒng)控制其勻速運動； 3)擠壓頭擠出混料進行工件表面涂覆，同時由工作臺控制系統(tǒng)控制工作臺并帶動工件向前運動，在工件運動過程中，擠壓頭不斷擠出新的混料涂覆在經(jīng)過擠壓頭下方的工件表面，從而使工件表面均勻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畢時停止涂覆； 4)當工件初始涂覆部分移動到電子束源正下方的時候，電子束源即開始發(fā)出電子束照 射到涂覆層上面進行熔覆，直到工件所有涂覆部分熔覆時為止，從而實現(xiàn)邊涂覆邊熔覆的效果，最終實現(xiàn)工件表面快速涂覆重熔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔方法，其特征在于所述膏狀混料中加有固體顆粒潤滑劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔方法，其特征在于所述工件和電子束源之間設(shè)有光闌，以使選定區(qū)域的電子束通過光闌照射到工件表面。
4.基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，其特征在于它包括真空室(3)，在真空室(3)外設(shè)有電子束源(I)和擠壓頭(2)，電子束源產(chǎn)生的電子束可進入真空室內(nèi)，擠壓頭用于放置需要涂覆的合金元素并將合金元素擠壓出來涂覆在工件上，擠壓頭的出口豎直向下位于真空室內(nèi)；在真空室(3)內(nèi)設(shè)有工作臺(7)和光闌(4)，工作臺用于放置工件并受設(shè)于真空室外的工作臺控制系統(tǒng)(6)控制而帶動工件水平移動；光闌(4)位于電子束源(I)正下方僅讓部分電子束選擇性通過以照射工件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，其特征在于所述真空室(3)外設(shè)有真空系統(tǒng)(8)，真空系統(tǒng)用于對真空室抽真空以達到需要的真空度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔裝置，其特征在于所述真空室(3)壁上設(shè)有觀察真空室內(nèi)狀況的觀察視窗(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于大面積電子束的工件表面快速涂覆重熔方法及裝置，擠壓頭擠出混料進行工件表面涂覆，同時由控制系統(tǒng)控制工作臺并帶動工件向前運動，使擠壓頭不斷擠出新的混料涂覆在經(jīng)過擠壓頭下方的工件表面，從而使工件表面均勻涂覆所需厚度的混料；當工件初始涂覆部分移動到電子束源正下方的時候，電子束源即開始發(fā)出電子束照射到涂覆層上面進行熔覆，直到工件所有涂覆部分熔覆時為止，從而實現(xiàn)邊涂覆邊熔覆的效果。本發(fā)明加工效率高，合金涂覆和合金熔覆在同一工藝完成。熔覆質(zhì)量均勻，易于控制。熔覆層結(jié)合力強，避免了類似于涂層的剝落，解決了一般涂覆薄膜材料的結(jié)合力不足問題。
文檔編號C23C24/10GK102618869SQ201210110520
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者李暉, 胡建軍, 許洪斌, 金艷, 陳元芳 申請人:重慶理工大學(xué)