高能束表面改性

1、1 1、 激光表面處理激光表面處理2 2、 電子束表面處理電子束表面處理3 3、 離子注入表面改性離子注入表面改性主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1 1、激光的特點、激光的特點2 2、激光表面處理設(shè)備、激光表面處理設(shè)備3 3、激光表面處理技術(shù)、激光表面處理技術(shù) 激光（激光（LaserLaser）1.1.高單色性高單色性激光具有相同的位相和波長，其頻率組成范圍非常狹窄，就是受激輻射光單色性非常好。精確地聚焦到焦點上，得到很高的功率密度。2.2.高方向性高方向性激光光束的發(fā)散角可以小于一到幾個毫弧度，可以認為光束基本上是平行的。激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長的距離的同時，還能保證聚焦得到極高的功率密度。

2、3.3.高相干性高相干性相干性主要描述光波各個部分的相位關(guān)系。因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來，這就叫相干性高。4.4.高亮度高亮度激光器發(fā)射出來的光束非常強，聚集后的功率密度可達1014W/cm2，在焦點附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。激光器的基本構(gòu)成激光器的基本構(gòu)成 l 增益介質(zhì) 光放大器（粒子反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)不再遵守Boltzman 分布）l 泵浦源 為放大器提供能量（閃光燈、放電、其它激光等）l 光諧振腔 將受激放大的光儲存在腔模中（增加放大器等效長度， 增加模密度）1.

3、增益介質(zhì)，2. 泵浦源，3. 反射鏡，4.輸出功率藕合器，5. 激光束激光器示意圖l按工作物質(zhì)：氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導體激光器等l按運轉(zhuǎn)方式：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器l按波長：紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器、毫米波激光器、X射線激光器等泵l按泵浦方式：電激勵激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、熱能激勵激光器等l按諧振腔：內(nèi)腔激光器、外腔激光器、環(huán)形腔激光器折疊腔激光器等根據(jù)工作物質(zhì)分類根據(jù)工作物質(zhì)分類 固體激光器固體激光器：紅寶石，：紅寶石，Nd:YAGNd:YAG，釹玻璃，釹玻璃氣體激光器氣體激光器 ：HeNeHeNe，COC

4、O2 2，離子激光器，離子激光器液體激光器液體激光器 ：染料激光器：染料激光器半導體激光器半導體激光器 ：同質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)，量子阱：同質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)，量子阱l 主材料：主材料：晶體或玻璃 晶體：1)金屬氧化物 Al2O3，氧化釔Y2O3，釔鋁石榴石Y3Al5O12（YAG）。 2)鋁酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等。鋁酸釔YALO3(YAP)、氟磷酸鈣Ca(PO4)3F等。 3) 氟化物晶體：氟化鈣CaF2、氟化鋇BaF 玻璃：硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃 （有高的機械強度、高的導熱特性）l 摻雜材料：摻雜材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+，Sm2+，Er2+） 過渡金屬（Cr3+，Ni3+）l能量

5、大，峰值功率高l結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用l連續(xù)輸出功率不如氣體激光器1.工作物質(zhì)2.泵浦源3.諧振腔4.冷卻系統(tǒng)5.濾光系統(tǒng)固體激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖第一臺紅寶石激光器原理圖1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺激光器 紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體（重量比為0.03%0.07%)，吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3)，各向異性晶體，具有雙折射。1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺激光器缺點：1. 需要高能量的泵浦光源2. 較低的效率3. 冷卻困難，使輸出脈沖頻率不能太高優(yōu)點：1. 溫度效應明顯2. 激光上能級壽命長，有利

6、于儲能，輸出能量大3. 激光器輸出紅光，適合應用需要。 將一定比例的A12O3、Y2O3，和 Nd2O3 在單晶爐中進行熔化結(jié)晶而成。 Nd2O3的重量比為0.725%（摻入約1%原子百分比的釹離子），晶體呈淡紫色，它的激活粒子是釹離子(Nd3)。YAG激光器結(jié)構(gòu)示意圖1. 激光為近紅外不可見光，保密性好工作方式可以是連續(xù)的，也可以是脈沖式的1. 波長短，金屬材料的吸收率高，光纖傳輸YAG激光器的泵浦燈和激光棒結(jié)構(gòu)示意圖l原子氣體激光器 工作物質(zhì)為未電離的氣體原子，如He-Ne激光器l分子氣體激光器 工作物質(zhì)為未電離的氣體分子，如CO2激光器、氮分子激光器l離子激光器 如氬離子激光器和氦鎘離子

7、激光器l氣體激光器的工作物質(zhì)：氣體或蒸汽l波長范圍：紫外到紅外l優(yōu)點： 1.工作物質(zhì)均勻性好，光束質(zhì)量好 2. 連續(xù)輸出功率高 3. 轉(zhuǎn)換效率高 4. 結(jié)構(gòu)簡單 5. 成本低l應用：準直、導向、計量、材料加工、全息術(shù)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)育種、國防等工作物質(zhì)為二氧化碳，加入氮氣、氦氣作為輔助氣體，以提高輸出功率和效率。主要特點：輸出功率和能量相當大，既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，峰值功率高，能量轉(zhuǎn)換效率達2025%；輸出波長分布在918 m，已觀察到上百條譜線，其中10.6m最重要。(1) 放電特性 相應于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓

8、，以及氣體混合比有關(guān)。 (2) 溫度效應 CO2激光器將有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。 l分類：有機化合物液體激光器(染料激光器) 無機化合物液體激光器(無機液體激光器)l特點：波長可調(diào)諧，調(diào)諧范圍廣 可產(chǎn)生極短的超短脈沖(10-15s) 可獲得窄的譜線寬度(10-5-10-6nm)染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖l工作物質(zhì)：半導體材料如砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS

9、)、碲錫鉛(PbSnTe)l特點：體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低l應用：光纖通訊、光盤、準直、顯示等激光與物質(zhì)作用的幾個階段：激光與物質(zhì)作用的幾個階段：激光照射到材料表面；激光被材料吸收變?yōu)闊崮?；表層材料受熱升溫；發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變、熔化甚至蒸發(fā)；材料在激光作用后冷卻。 也稱激光相變強化。是在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，其表層被迅速加熱，并在激光停止輻射后快速自冷卻使表面硬化的一種工藝方法。齒輪的激光強化，比常規(guī)熱處理高的表面硬度及硬度分布均勻的相變硬化層，從而提高其耐磨、耐蝕、耐沖擊和耐疲勞性能，且激光強化過程中工件變形小。柴油機曲軸的激光強化，發(fā)動機臺架試驗證明，激光強化后的曲軸頸平均磨損比普通淬火減

10、少90%，曲軸的耐磨性提高1倍以上。曲軸軸頸表面激光強化激光合金化：激光合金化：利用激光改變金屬或者合金表面化學成分的技術(shù) 激光熔覆：激光熔覆：用激光在基體表面覆蓋一層薄的具有特定性能的涂層技術(shù) 都是形成合金層，提高工件性能，延長工件使用壽命。合金化 過程更以基材的熔化為主，通過外加合金改變表面化學成分；熔覆 更強調(diào)外加合金的熔化，希望在保證冶金結(jié)合前提下盡可能降低稀釋率激光熔覆工業(yè)應用實例 耐腐蝕（包括耐高溫腐蝕）和耐磨損。應用的實例如內(nèi)燃機的閥和閥座的密封面的激光熔覆，水、氣和蒸汽分離器的激光熔覆等。軸類零件表面激光熔覆冶金軋輥激光合金化l激光非晶化:是利用激光快速加熱和快速冷卻的特點加熱

11、材料表面使其熔化，并以大于一定臨界冷卻速度急冷至低于某一特征溫度，以抑制晶體形核和生長，從而獲得非晶材料的技術(shù)。l與急冷法制得的非晶態(tài)合金相比，激光法制取的非晶態(tài)合金優(yōu)點：冷卻速度高；激光非晶態(tài)處理還可減少表層成分偏析，消除表層的缺陷和可能存在的裂紋。 激光沖擊硬化：激光沖擊硬化主要是利用強激光與材料表面相互作用產(chǎn)生的力學效應強應力波來改善材料的性能。激光使材料表面薄層迅速汽化，產(chǎn)生沖擊波。 使金屬產(chǎn)生強烈的塑性變形，可強化焊縫熱影響區(qū)的金屬，還可以阻止或延緩材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生及擴展。低碳鋼激光沖擊硬化示意圖主要內(nèi)容：1、電子束表面處理的主要特點2、電子束表面處理工藝3、電子束表面處理設(shè)備4、

12、電子束表面處理應用電子束是一束集中的高速電子。特點：特點：l它的速度取決于加速電壓的高低，可達到光速的2/3左右。l具有高的功率和功率密度的電子束撞擊材料表面，可使能量沉積在材料的亞表層區(qū)域，并可形成亞穩(wěn)金屬合金。l可在幾分之一秒甚至千分之一秒把金屬材料由室溫加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度或熔化溫度。 電子束表面處理原理： 高速運動的電子具有波的性質(zhì)，當高速電子束照射到金屬表面時，入射電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。由于入射電子與原子核的質(zhì)量差別極大，和原子核的碰撞可以看作是彈性碰撞。因此，能量傳遞主要是通過電子束與金屬表層電子碰撞而完成的，所傳遞的能量立即以熱能的形式

13、傳給金屬表層原子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高，使表層成分和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達到表面改性的效果。（1）電子束的加熱和冷卻速度快。（2）電子束表面處理設(shè)備整體結(jié)構(gòu)相對簡單。（3）電子束與金屬表面偶合性好。（4）電子束能量的控制比較方便。（5）電子束加熱時能量沉積范圍較寬，而且約有一半電子作用區(qū)幾乎同時熔化。（6）電子束加熱的液相溫度相對于激光加熱偏低，因而溫度梯度較小。 （7）工件尺寸受真空室的限制，尤其是對大批量流水線生產(chǎn)來說更是無法接受。（8）當使用電壓超過150 kW時，電子束易激發(fā)X射線，使用過程中應注意防護。電子束表面改性電子束表面精細化電子束預涂氣體合金化電子束表面非晶化電子

14、束預涂敷層合金化固態(tài)相變電子束表面淬火電子束表面合金化電子束表面熔覆電子束表面熔凝液態(tài)相變不同材料電子束處理的技術(shù)分類 電子束以很高的速度轟擊金屬表面，電子與金屬材料中的原子相碰撞，給原子以能量，使金屬表面溫度迅速升高。當材料被加熱到奧氏體點以上、熔點以下時，采用自身淬火冷卻，達到表面硬化層。由于自身冷卻的冷速可以超過105 K/s，獲得的表面硬化層的硬度比感應加熱、火焰加熱等高出幾個HRC單位，組織也更為細化。 電子束表面淬火（HE）和常規(guī)淬火（H）的硬度對比圖為幾種鋼材經(jīng)電子束加熱表面淬火和常規(guī)淬火得到的硬度的對比，可見硬度值提高34個HRC。 將具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金屬表面上

15、，然后用電子束加熱熔化，或在電子束作用的同時加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，使零件表面形成一層很薄的具有良好性能的合金表面層，從而使金屬表面能獲得很好的耐磨、耐腐蝕及耐熱的性能。 合金化可分為兩種，即重熔和熔合。 電子束表面非晶化處理與激光表面非晶化處理相似，只是所用的熱源不同而已。利用聚焦的電子束所特有的高功率密度以及作用時間短等特點，可在表面的下層受熱最小的情況下，使材料的表面熔化形成小液池，這樣便能獲得極快的冷卻速度。 由于快速凝固細化顯微組織，可獲得致密性極好的非晶態(tài)層，這種非晶態(tài)組織具有很高抗腐蝕與抗疲勞的性能。 熔覆包括兩種工藝方法，其一是把重熔的涂層材料沉積在基體表面上，其

16、二是采用機械送絲或把涂層材料的粉末注入電子束位于金屬工件的斑點。 從概念上講，熔覆是一種與焊接中的搭接和噴熔相似的工藝，只不過加熱的能源變成電子束而已。該工藝常用于制造絕熱、耐腐蝕及耐磨損的涂層（如液壓件），還可用于修復損壞的機械零件（如渦輪機的工作面）等。 電子束熱處理裝置由七部分組成，即電子槍、高壓油箱、聚焦系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、真空工件室、真空系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。下圖為電子槍結(jié)構(gòu)示意圖電子槍結(jié)構(gòu)示意圖，電子槍由加熱燈絲（電子發(fā)射源）、陰極、陽極（電子加速）、聚束極（電子束收束）、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（電子束偏轉(zhuǎn)）、電磁透鏡和合軸系統(tǒng)等組成。 燈絲加熱熱熱電電子子在在電電場場作作用用下下陽極加速穿過陽極孔后向下

17、發(fā)射電磁透鏡使電子束聚焦縮小偏轉(zhuǎn)線圈使電子束偏轉(zhuǎn)照射到工件表面 基本上仍是以鋼和鑄鐵的電子束淬火為主。 電子束表面淬火的工件主要有：l型零件，如滑槽的凸緣，導軌的軌道底板，機床緊固裝置上的導向平面和臺板等；l 周邊要進行淬硬的旋轉(zhuǎn)對稱部件，例如套筒、轉(zhuǎn)動軸、 心軸等；l錐形外表面或內(nèi)表面要淬硬的旋轉(zhuǎn)對稱部件，例如閥門、錐齒輪等。l幾何形狀和外觀規(guī)則或不規(guī)則的特殊零件，如凸輪盤、連接元件、正齒輪圈等；主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1 1、離子注入的原理、離子注入的原理2 2、溝道效應和輻照損傷、溝道效應和輻照損傷3 3、離子注入的特征、離子注入的特征4 4、離子注入表面改性的機理、離子注入表面改性的機理5

18、 5、離子注入表面改性的應用、離子注入表面改性的應用Ion implantationIon implantation 離化后的原子在強電場的加速作用下，注射進入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì)。 離子注入裝置簡圖 l 將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電離子l 在強電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學性質(zhì)離子注入設(shè)備l 在離子注入機中把各種所需的離子加速成具有幾萬甚至百萬電子伏特能量的載能束，并注入金屬固體材料的表面層。引起材料表層的成分和結(jié)構(gòu)的變化，以及原子環(huán)境和電子組態(tài)等微觀狀態(tài)的擾動，導致材料的各種物理、化學或力學性能

19、發(fā)生變化，達到表面改性的目的。l 在離子注入過程中，具有一定動能的離子射入固體后，就與固體表層內(nèi)的原子核和電子發(fā)生隨機碰撞。l溝道效應：當注入離子沿著基材的晶向注入時，則注入離子可能與晶格原子發(fā)生較少的碰撞而進入離表面較深的位置，這一現(xiàn)象稱為溝道效應。l溝道效應導致對注入離子在深度控制上有困難，使離子的注入距離超出預期的深度，使元件的功能受損。1. 將晶片對離子注入的運動方向傾斜一個角度，如沿溝道軸向(110)偏離710o，減小開口2. 在晶體表面鋪上一層非結(jié)晶的材質(zhì)，使入射的離子在進入襯底前在非晶系層里與無固定排列方式的非晶系原子產(chǎn)生碰撞而散射，降低溝道效應的程度3. 先進行一次輕微的離子注

20、入，將晶片表面的晶體結(jié)構(gòu)破壞成非晶態(tài)，再進行真正的離子注入。（111）硅一般采取偏離晶向）硅一般采取偏離晶向7，平行偏轉(zhuǎn)，平行偏轉(zhuǎn)15的注入方法的注入方法 110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向 高能離子注入表面層后與靶原子發(fā)生一系列碰撞，使晶格原子產(chǎn)生足夠能量而發(fā)生離位，結(jié)果產(chǎn)生一系列的空位間隙原子對及其它類型晶格無序的分布。輻照損傷示意圖（1）非熱平衡過程，注入離子的能量很高，可以高出熱平衡能量的23個數(shù)量級。因此，原則上講，周期表上的任何元素，都可注入任何基體材料。（2）注入元素的種類、能量、劑量均可選擇，不受擴散和溶解度的經(jīng)典熱力學參數(shù)的限制，即可得到用其它方法得不到的新合金。（3）離子注入層相對于基體材料沒有邊緣清晰的界面，因此表面不存在粘附破裂或剝落問題，與基體結(jié)合牢固。（4）離子注入控制電參量，故易于精確控制注入離子的濃度分布，此分布也可以通過改變注入能量加以控制