无损检测技术在金属表面高能束改性中的应用探究

1.高能离子束与电子束表面改性的无损检测

离子束材料改性是将某种或某些元素的原子电离并使其在电场中加速，获得较高的速度后，射入固体材料表面形成很薄的离子注入层，以改变材料表面物理或化学性能的一种技术。可用于提高金属材料的耐蚀性，改善材料的耐磨性能。

电子束表面处理使用一束集中的高速电子（可达到光速的2/3左右）作为高能量密度的热源，用于金属表面的改性。

图11.8-26所示为一离子渗氮硬化的AISI4241钢试样的断面微观组织。图中，顶部的亮腐蚀层是铁氮化物，常称为“白层”，厚度为数微米；在其下面则是由细Fe₄N梯度组成，深度约30μm的扩散区（即硬化区）；在扩散区的下面则是填隙氮梯度区向下延伸到母材。由于渗氮钢较之未渗氮钢，超声波群速度及频散的变化与氮化物量级的相关太小，用超声波法测此硬化层深度尚需作进一步研究。

图11.8-26 离子渗氮硬化的AISI4241钢试样断面微观组织（400×）

2.激光束表面改性的无损检测

激光束改性是一种工艺。用一高功率激光束将材料的浅表面层熔化并随之快速凝固得一微晶层，借以改善材料对磨损、剥蚀、腐蚀、疲劳和冲击的抵抗能力，这些是与熔区的热影响区及化学成分有关的。该工艺对新材料和改进材料的生产有很大潜力，但在熔区和热影响区可产生孔隙、裂纹和不规则的边界。这对经处理零件的性能和使用性能均有有害影响，用无损方法对之作出表征是必要的。

（1）巴克豪森噪声法试样是X210Cr12冷变形工具钢（含2.1%的C和12%的Cr），激光源是连续波CO₂激光器。试样在不同功率的激光辐射下，在表面和在不同深度处将发生相变。这些激光硬化参数如硬化深度是也可用微磁技术来测得的。巴克豪森噪声即为其中一法（参阅第11篇8.3.2节）。对于试样，在交流磁场（频率f_c=0.05Hz）作用下，用三种不同功率级激光束处理所得巴克豪森噪声与作用磁场的关系如图11.8-27所示。磁场强度（H）较高的外侧峰相应为激光硬化马氏体相，在低磁场强度处的内侧峰源自铁素体基体材料。随着入射激光束功率的增大，整个M（H）曲线的幅度变小，说明两种相所起的作用减小，其原因是靠近表面的非磁性残留奥氏体相覆盖着其下的马氏体和铁素体相。所以，来自磁性相的巴克豪森噪声信号幅度是与表面层厚度有关的，获得相应的校准曲线，即可对厚度作出评估。

图11.8-27 对于试样，在交流磁场（频率f_ε=0.05Hz）作用下，用三种不同功率级激光束处理所得巴克豪森噪声与作用磁场的关系

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图11.8-28 在304不锈钢和M2工具钢上激光改性所得的显微金相照片

（2）涡流法激光改性是用6kW连续波CO₂激光系统完成的。在激光有效功率密度约为8×10⁵J/cm²的情况，相互作用时间10^-3～10^-4s。在激光改性操作完成时，沿激光移动方向进行涡流测量，以检测改性缺陷和气孔，并横过移动方向评价改性深度和材料性能的变化。

图11.8-28a所示为在304不锈钢上光滑的激光改性面显微金相照片，展示经改性表面很平滑，没有可见的缺陷。图11.8-28b所示为在M2高速工具钢上由一膨胀气孔所导致的缺陷显微金相照片，显示有在固化开始之前膨胀和受压气体逸出熔区所形成的表面气孔。这种单个和多个气孔的涡流响应如图11.8-29a和b所示。图11.8-30所示为激光改性试样的横截面图，改性的深度是从1.12mm到0.4mm。图11.8-31所示为不同改性深度的涡流响应变化。可注意到，随改性深度的减小，涡流阻抗平面图相位角相对于提离作反时针方向旋转。

从此处所提供的结果及所进行过的其他试验可以得出，激光改性可用于范围很广的材料，如镍基高温合金、工具钢、铸铁等。由于微观组织影响到被改性材料的电性能和磁性能，改性的深度和缺陷（如气孔）是可用涡流法检测的。

图11.8-29 对表面孔缺陷的涡流阻抗平面的响应

图11.8-30 激光改性试样的横截面图

图11.8-31 不同改性深度的涡流响应变化