高能束表面改性

高能束表面改性第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第四章表面形變強化技術

表面相變強化：采用激光束、電子束或離子束等對金屬零件的表面進行表面淬火，使表面獲得快速加熱、快速冷卻，讓金屬表面、亞表面形成新的相變區(qū)和表面強化區(qū)。顯微組織變化相變抗疲勞強度耐磨性耐腐蝕性改善優(yōu)點：表面質量好，可根據(jù)不同材質、工件熱容量大小、以及激光處理工藝參數(shù)的不同，實現(xiàn)硬度、強化層深度可控。第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

高能束技術簡介第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

定義：高能束熱處理的熱源通常是激光束、電子束、離子束三束。他們共同的特征是：高能束發(fā)生器輸出功率密度至少達到103W/cm2

以上的能束，定向作用在金屬表面，使其產(chǎn)生物理、化學或相結構轉變，從而達到金屬表面改性的目的，這種熱處理方式稱為高能束熱處理。第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

當高能束輻射在金屬材料表面時，無論是光能（激光束），還是電能（電子束和離子束）均被材料表面吸收，并轉化成熱能。該熱量通過熱傳導機制在材料表層內擴散，造成相應的溫度場，從而導致材料的性能在一定范圍內發(fā)生變化。原理：高能束對材料表面的改性是通過改變材料表面的成分或結構實現(xiàn)的。成分改變：表面合金化和熔覆結構改變：組織和相的改變第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

（1）熱源作用在材料表面上的功率密度高、作用時間極其短暫，加熱速度快，處理效率高。（2）加熱的面積可根據(jù)需要任意選擇，大面積可用疊加掃描法。（3）熱源屬非接觸式，且束斑小，熱影響區(qū)小，變形小。（4）高能束熱處理靠工件自身冷卻淬火，不需介質。（5）三束直接加熱的材料表層深度一般為幾微米。高能束的特點：第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

（6）材料表面由表及里產(chǎn)生極高的溫度梯度，106~108K/cm,

從而導致極高的冷卻速度，109~1011K/s。（7）表面產(chǎn)生大量缺陷，特別是離子束，除對材料表面加熱外，固體表面受到離子的轟擊時，表面原子大量被濺射出來，從而產(chǎn)生缺陷。（8）高能束加熱的可控性好，便于自動化處理。（9）高能束熱源可遠距離傳輸或通過真空室。第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

三束材料表面改性技術主要包括兩個方面：1）利用三束的高能量可獲得極高的加熱和冷卻速度，從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、熱平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)合金相，從而賦予材料表面特殊的性能。2）利用離子注入技術可把異類原子直接引入表面層進行合金化，引入的原子種類和數(shù)量不受任何常規(guī)合金熱力學條件的限制。第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

因為激光束、電子束、離子束作為一種高能密度熱源，作用在金屬表面所產(chǎn)生的相變、熔化、氣化效應是一致的。因此通常將高能束熱處理分為：

高能束相變硬化處理高能束熔敷處理高能束合金化高能束非晶化高能束沖擊硬化高能束氣相沉積

第五章高能束表面改性技術

種類：第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

能量傳遞與轉換高能束與物質的三種作用類型：熱作用、力作用、光作用E0=E反射+E吸收+E透過E吸收為被材料表面吸收的能量E透過為高能束透過材料后的能量式中：E0為入射到材料表面的高能束的能量

E反射為被材料表面反射的能量第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

熱作用激光光子的能量向固體金屬的傳輸過程就是固體金屬對激光光子的吸收過程。激光與金屬材料交互作用而產(chǎn)生的加熱效應取決于材料對激光光子的吸收。

光作用激光與金屬材料的交互作用也可以通過光作用而實現(xiàn)，不過這種作用是一種間接的作用。這種作用主要用來制備特殊的非金屬材料和無機材料，如金剛石薄膜、類金剛石薄膜等。第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

力作用當激光束強度遠低于熔化門檻值時，由于金屬表面的溫度梯度，在亞表層區(qū)會產(chǎn)生嚴重地不均勻應變。當內應力超過屈服應力時，材料會發(fā)生塑性變形。用激光照射金屬表面，表面溫度的迅速增加會使材料發(fā)生膨脹，平行于表面的位移受到周圍材料的約束，會產(chǎn)生很大的壓應力。如果超過了材料的彈性極限，就會發(fā)生塑性變形，使材料擠出自由表面。冷卻時，材料發(fā)生收縮。如果拉應力超過屈服應力，冷至初始溫度就會發(fā)生拉伸塑變。第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

5.1激光表面改性

激光束照射到材料表面時，與材料間的相互作用根據(jù)輻射密度與持續(xù)時間分為以下幾個階段：

1）激光照射到材料表面；

2）激光被材料吸收變?yōu)闊崮埽?/p>

3）表層材料受熱升溫；

4）發(fā)生固態(tài)轉變、熔化甚至蒸發(fā)；

5）材料在激光作用后冷卻。當激光輻射的功率密度與持續(xù)時間不變時，上述過程的進展除取決于被處理材料的特性外，還與激光的波長、材料的溫度和表面狀態(tài)等有關。第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

激光表面處理工藝包括：激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光沖擊硬化等第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

CO2激光器輸出功率大，轉換效率高，一般為15%~20%。

氦-氖氣體激光器最早出現(xiàn)的氣體激光器，也是目前用得最廣泛的典型原子激光器。它以連續(xù)放電的方式運轉。YAG激光器目前應用最廣范的一種固體激光器。波長短。由于激光呈鮮紅色，除做其他用途外，也用在大功率

CO2裝置上，作為校準激光器。激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質中放大或振蕩發(fā)射的器件第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

激光表面改性不熔化熔化汽化合金化

熔覆相變硬化非晶化晶粒細化沖擊硬化第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

（1）激光相變硬化：也稱激光熔化淬火。是將激光束加熱工件表面至熔化到一定深度，然后自冷至熔層凝固，獲得較為細化均質的組織和所需性質的表面改性技術。激光淬火特點：（1）激光束能量密度高，對工件表面加熱快，冷卻快、淬硬層馬氏體比較細，硬度比常規(guī)淬火高5%-20%。（2）僅對工件表層少量金屬加熱，耗能少，幾乎不發(fā)生熱變形，工件變形極?。梢允∪コC直及精磨等工序，便于進行精密件局部表面淬火。

第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二（3）能進行內孔或溝槽的側面及底部的淬火以及復雜工件表面局部淬火，而用其他方法很難解決。（4）由于聚焦光束焦深相當大，可以容許工件表面有相當大的不平度，便于進行花鍵袖及齒輪的淬火。（5）硬化深度和面積可以精密控制。

（6）激光淬火除薄件外一般均可自冷淬硬，不用油、水等淬火劑。

（7）工藝簡單，淬火時間短，可以將淬火工序安排在流水線內。

第五章高能束表面改性技術

第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

實例第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

（2）激光非晶化激光非晶化：是利用激光快速加熱和快速冷卻的特點加熱材料表面使其熔化，并以大于一定臨界冷卻速度急冷至低于某一特定溫度，以抑制晶體形核和生長，從而獲得非晶材料的技術。激光法制取得非晶合金優(yōu)點：

1）可減少表層成分偏析；

2）消除表面缺陷和可能存在的裂紋。第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二（3）激光熔覆（合金化）：以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之與基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。

第五章高能束表面改性技術

一步法（a）二步法（b）激光熔覆示意圖第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二工藝不當時熔覆層間夾渣的組織形貌圖

第五章高能束表面改性技術

第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

在工件表面制備覆層以改善表面性能的方法很多，在工業(yè)中應用較多的是堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等，與上述表面強化技術相比，激光熔覆具有下述優(yōu)點：

（1）熔覆層晶粒細小，結構致密，因而硬度一般較高，耐磨、耐蝕等性能更為優(yōu)異。

（2）熔覆層稀釋率低，由于激光作用時間短，基材的熔化量小，對熔覆層的沖淡率低（一般僅為

5％-8%）

，因此可在熔覆層較薄的情況下，獲得所要求的成分與性能，節(jié)約昂貴的覆層材料。

（3）激光熔覆熱影響區(qū)小，工件變形小，熔覆成品率高。

（4）激光熔覆過程易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，覆層質量穩(wěn)定，如在熔覆過程中熔覆厚度可實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)，這在其他工藝中是難以實現(xiàn)的。激光熔覆的優(yōu)點第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二（3）激光熔覆

第五章高能束表面改性技術

第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

（4）激光沖擊硬化：大功率短脈沖激光使材料表面瞬時氣化甚至等離子體化，并引起爆炸波和在表面產(chǎn)生沖擊波，使材料表面強化的技術。第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二激光雕刻

第五章高能束表面改性技術

第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

5.2電子束表面改性電子束流和激光束流的產(chǎn)生原理和物理特性不同。電子束是由電子槍陰極燈絲加熱發(fā)射的電子形成的高能電子流，經(jīng)聚焦線圈和偏轉線圈照射到金屬表面，并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。能量傳遞主要是通過電子束的電子以熱能的形式傳給金屬表層的電子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。由于金屬對激光的吸收率很低，而對電子束的吸收可達99%，故電子束功率可比激光大一個數(shù)量級，能量深入深度比激光的高兩個數(shù)量級以上，故激光為表面型熱源，而電子束為次表面型熱源。第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

電子束表面改性的主要特點有：1)加熱和冷卻速度快，能量利用率高，為激光加熱的9倍。2)與激光相比使用成本低。電子束處理設備一次性投資比激光少,為激光的1/3），其運行成本比激光低一半左右。3)設備簡單。4)電子束與金屬表面耦合性好，能量利用率高。5)工件不被污染，質量好。6)電子束加熱深度和尺寸范圍比激光大。電子束加熱時熔化層至少幾個微米厚，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。7）電子束可以激發(fā)X射線，使用中應注意防護。第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

5.2電子束表面改性第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

5.3離子注入表面改性定義：將所需的金屬或非金屬元素的離子（N+，C+，Ti+，Cr+等）在電場中加速，獲得一定能量后注入固體材料表層中，以改變材料表面的物理、化學或力學性能的一種技術。第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

5.3離子注入表面改性核碰撞：能量為E的一個注入離子與靶原子核碰撞，離子能量轉移到原子核上，結果將使離子改變運動方向，而靶原子核可能離開原位，成為間隙原子核，或只是能量增加。電子碰撞：指的是注入離子與靶內自由電子以及束縛電子之間的碰撞。注入離子和靶原子周圍電子云通過庫侖作用，使離子和電子碰撞失去能量，而束縛電子被激發(fā)或電離，自由電子發(fā)生移動。瞬時形成電子-空穴對。1963年，LindhardScharffandSchiott首先確定了注入離子在靶內分布理論，簡稱LSS理論。該理論認為，注入離子在靶內的能量損失分為兩個彼此獨立的過程1）核碰撞（nuclearstopping）2）電子碰撞（electronicstopping）第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二

第五章高能束表面改性技術

5.3離子注入表面改性優(yōu)點：（1）它是一種純凈的無公害的表面處理技術；（2）無需熱激活，無需在高溫環(huán)境下進行，因而不會改變工件的外形尺寸和表面光潔度；（3）離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學相互作用而形成的一個新表面層，它與基體之間不存在剝落問題；（4）注入元素不受固溶度、擴散的限制，可獲得過飽和固溶體，化合物和非晶態(tài)等非平衡結構的特殊物質，原則上，元素周期表上的任何元素均可注入任何基體材料。（5）離子注入為直進性（橫向擴散?。m合集成電路的微細加工。第四十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期二缺點：（1）設備昂貴，成本較高；（2）離子注入層較??；（