激光、电子束、离子束三束区别要点

1、电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。都具有高能量密度 特性。顾名思义电，子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。离子束加工是一种元素 注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等 效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。都具有高能量密度 特性。顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。离子束加工是一种元素 注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等 效应，而电子束与激光束的主要作用在

2、高能量，没有辐照、表面压缩等特性电子束聚焦点最细最深，激光束次之，离子束最粗。电子束聚焦直径（打孔）最小可以小于1 um。电子束由电子组成，而离子束一般由金属粒子组成，本质的原理是一样的。都有溅射作用， 对样品损伤也没一定的规律。但对于石英材料来讲，损伤很明显。电子束不会造成成分污染， 但 离 子 束会， 相 当 于 离 子 注入。前言激光束和电子束都安提供高能量的直接熟源.并应用在评名表面改性技术 中匚由输入功率所决定的高能束M被用切割与焊接、表而癖融与台金配制、以 及伺部热处理卜.“焊接和切割要求功率最大、激光束和电子束的聚焦能力最强， 这样才可宣现既深又窄的高质量焊缝或包缝n随着高强度能

3、量源的不断问也，这 项（表而改性）技术也得到模大程度的发展”在各珅撮光和电子束表而改性技术 中，局部表画热处理技术发展最快，商业应m也最广u1激光热处理1.1国内外激光热处理的研究和应用概况激光11 6。年代问他以来.在金MilT.T业中迅速得到泛的应用最初是用焊接、切割、打孔和整修金属表面等方面*激光在热姓理方1H的研究是七I-仆代初升始的：现在，谶光族处理已由变验 室研究阶段避入生产应用阶段=激光热姓理m时金底零件逃行表而淳火、冲击淬火、局部含金化姓理、选择 性.局部顶化姓理、表画女上光* %在美国，激光热处理已在汽车工业中应用n1973年，美国密执安州萨吉诺通用汽车公司的轧向神分部第一个

4、用激光淬 火系统正式处理转向器零件e该公司现有15台C班斐续激光焦姓理设备（W台500 瓦的，台10皿瓦的，每天处理30如0个可-锻铸铁转间器壳体底在汽车上经 过使用证明，用激光处理的这种转向器克体，耐磨性可增加10倍，图1是用谶 光淬火的转向器壳体的割而照片.在壳体内壁上形成的硬化带觅度为1,523 基米，深度为0. 25 米言美国伊利诺斯州拉格兰奇通用汽车公司用激光淬火的转向器壳体切而图内 壁上的黑线是淬硬带的电动分部用五台34 T瓦的激光热处理设备处理柴油发 动机的汽缸衬套，并准备扩大应用范用:处理阀座、齿轮、曲轴及活塞槽洵等。美国福特汽车公司用400瓦的C0;激光器处理灰口铸铁阀门杆，

5、提高了耐磨 性，降低了内燃机的汕耗虽和阀杆的磨损c伊利诺斯州芝加哥夏基兄弟公司用 10千瓦的CO:激光器处理4M0H结构钢轴，淬火深度为0. 25亳米厂硬度为HRc55。马萨诸塞州阿夫科埃弗审特研究实验室用激光对球墨铸铁汽车曲轴颈网 弧处进行月部淬火，硬度达HRC55-62,组织细密：图2是实物照片及淬火月部 的放大图，美国宾夕法尼亚大学用激光进行高速钢力头的局部合金化，可延长寿 命23倍。方法是在刀头上先敷上VC勒末，然后用激光束照射，使其扩散到表从上述情况可见，一些工业发达国家，口前正加紧激.光热处理的试验研究和 推广应用n可以预料，今后的激光热处理技术将会进一步扩大应用范I札 这是因 为

6、，激光热处理具有某些其他热处理方法所没有的特点C L2激光热处理的特点激.光是一种亮度极高，单色性和方向性极强的光泌激光的这些特点，使它 具有广泛的用途，加热速度快，淬火不用冷却剂激光具有高达10.瓦，厘米，的能量密度，当经过聚焦的激光照射金届表面 时，M使金屈表而在百分之几秒甚至T分之几秒内升高到淬火所需的温度。由于 照射点升温特快，热垦来不及传到周削的金属，因此.在停止激光照射时，照射 点周围冷的金屈基本上可起冷却剂的作用，大量吸热，使照射点退速冷却，达到 11行淬火的效果。得到的粗织比感应淬火和火焰淬火的要细得多，因而具有很高 的机械性能。可进行局部的选择性淬火由于激光具有高的方向性和相

7、干性，可控性能特别好，它可以用光学系统传 播到远处和进行聚焦.迥过聚焦，激光束可以精确的按任何复杂的几何图形进行 同部选择性加热淬火，而不影响邻近的组织和表面光洁度5这一点用火焰加热和 高频感应加热是很弭作到的C此外，一些用高频感应或火焰加热方法不容易实现 表而淬火的零件或部位如拐角、狭窄的槽沟、齿条、齿轮牙、深孔、盲孔表面 等），用激光通过光学传导系统和反射镜都可很方便地进行加热淬火H123几乎没有变形与火焰和高频感应表而淬火比较，激光表而粹火的零件变形要小的多。这是 山丁激光加热时，然量仅仅集中在表面，冷却时也不需外加冷却介质，因此，零 件在整个加热冷却循环中所受的应力要小得多，而旦由于加

8、热冷却是在亳秒级内 完成，不易产生钗化脱碳。所以，激光淬火的表而光亮洁净，W不再进行表面精加工即能进行装配，减少了加工工序=可进行局部合金化处理为了使廉价的材料具有好的耐磨性和耐热性，用傲光叫.对工件易磨损的部 位进行合金化处理。比如，汽车用灰口铸铁阀座，用 股热处理很好达到使用寿 命，但如果在受磨部位先镀上一层务 然后用激光迅速蜡化.形成一个硬的杭回 火的含路耐热表而层，就可大大提高使用寿命和耐热性3J达540*0 o 1.3激光表面改性技术激兆束的能鼠密度非常高,因而当它照疑在物体表而时能绿产生10- 10幻皿丰常高的温度梯度，使表面迅速博化 移热源时，冷的基体又会使熔 化部分以IO,10

9、%册的速度冷却，使表而迅速凝I电由丁嗷光的这种特虬它 可用丁材料的激光相变、澈光表而合金化与激光培覆处理，提高材料表而的硬度、 抗磨,性、抗蚀性。激光束与金属的相久作用金属对激光的吸收数光束照射金原时.激光束能鼠会很快转变为金属晶席的动能.从而使金属 表层迅速摇化，激光束倒:分能昼被吸收，部分能呈被及射.金属对激光的I吸收因 金属而异，金属的表面状志对丁反射率极为敏感，表而越光滑反射率越机 表面 亲质和氧化物会使R射率公剧变化。歌光透入金届的深度仅为表面卜noem的范困，所以激:光对金属的加热可吞 作是一种表面热源，在表面层光能变为热能，此后，热能按热传导规律向金届深 处传导。表1-1给出了某

10、些金属对YAG和CO：激光的反射率,激光器的种类口前工业应用采用的激光器主耍有YAG激光器和CO澈光器。YAG激光器是 向你激光器，其连续输出功率较小，大多为500W左右，最高可为1W,其波长 为1.06呻0,激光器是气体激光器，以g为工作气体，其连续验出功率要高 得多，15 kW的激光器属丁中等功礼5、20对的激光器底丁高功率激光器=CO, 激光器的波长为10.6pm,电光转换效率M达15虻20%。进行激光表而改性总是希 望用高功率激光器激光产生的基木原理可-见图3所示。激光照射产生的应力与应变当激光束隅度远低丁怫化阕值时，由于辐照金届表而中高的温度梯度，在W 表层区会产生严重的不均匀应变C

11、当由此产生的内应力超过弹性极限和屈服成力 时，材料会发生塑性变形=用不同的激光功率密度利作用时问（能量密度），可以对金属进行不同的加 工日图4给出了各种激光加工方法使用的功率密度及时问范惜k激光靖化淬火如果提高激光功率，或减小.光束直役、减小扫描速率，对金属扫描时， 表而薄层被爆化，当光束离开时，由于冷的基体的散热作用，会产生固相相变硬 化所类似的冷却作用，使表层可产生一层液体金屈的激冷组织，这种硬化技术m 林为激光榕化淬火。激光非晶化激光处理的急剧冷却速率是获得非晶态金属的一个重要手段，它也被称为激 光上釉非晶体合金与对成的晶体相比，强度、韧性和硬度都高，导磁性可与镣 铁铝超级导磁台金媲美，

12、电阻为晶体的23倍，耐蚀性超过不锈钢，但耐疲劳 性不及晶体e这种工艺2成场地用丁在航空发动机湖轮盘表面形成一非晶态层， 使其重量减轻50%e激光冲击硬化激光冲击硬化是以LO7W/W以上的高功率密度的脉冲激光照射金属表面，使 金属表而念剧气化形成的冲击波反作用于表面使表而硬化冲击波的力量可达 LOta,从而使表而产生强烈的塑性变形，增加位格的密度，提高材料的强度及 .e疲劳寿命。2电子束热处理2. 1国内外电子束热处理研究和应用僵况电子束技术在焊接、切割和其他金属加丁工业中的应用，己经比较成熟。例 如电子束焊接，在60年代中期就大呈用航空、航天、电子技术中，口前在机 械制造工业中也得到重视b电子

13、束技术在热处理方面的研究和应用开始丁七十年初。最早是用于薄钢 带、细统的连续真空近火处理和研究冲击淬火向题。美国和苏联都在进行这方而 的研究和应用。作退火工艺时，薄钢带或细段连续地通过真空室，并受电子束的农击而加热 由于电子束具有很高的功率密度（最高可达到10 “瓦/厘米2）可以使薄钢带迅速 加热到退火温度美国12经有了比较完善的电子束加热连续退火炉，用来处理饮、妮、钥、铝 及核反应堆用金届材料.苏联在1976年报道了用电子束处理薄低碳钢带及用电子束进行45倒淬火的 试验结果，还研究了电子束加热对耐热金属的强度影响。近几年，由于激光热 处理的发展及其成果的介绍，促进了电子束在金属表而淬火方而的

14、应用和研究。电子束表间淬火和激光表而淬火，除了热源的区别外，其它方而基本上是一 样的e凡是可以进行激光热处理的作业，都可以采用电子束，凡是激光热处理具 有的一些特点，电子束热处理也基本具备=口的美国某些丁厂巳开始用电子束进行表面淬火处理.印第安纳州的科科莫克莱斯勒公司最近建成的一台电子束系统供芝加哥夏 基兄弟公司处理离合器零件，律小时可以处理250个工件在一个有六T位的旋 转进料台上11动定位，当一个工件旋转到30千瓦的电子枪下时，工作台带着工 件一起上升到密封工作室内，真空菜在大约五秒钟内抽走密封室的空气，在约 0.1托的真空条件下，电子束开始轰击离合器上预定淬火的表间目前国外电子束热处理技

15、术仍处于研究阶段，但可以预料，屯子束热处理 将很快在工业中获得应用，并有可能成为激光热处理竞争的对象。如果说，电子 束焊接在汽车工业中得到普遍应用花了大约十年的时间，那么，屯子束热处理所 花的时问肯定要短得多。2. 2电子束热处理设备电子束热处理设备的主要部分是电子枪，这和电子束焊接是一样的。因此， 电子束焊接设备经过改进，增加必要的转换装置 也可用丁热处理。电子束可以通过聚焦线罔进行聚焦，它可以精确地瞄准尺寸约为0. 025亳米 的狭窄 WU并可.以用磁性偏转城圈操纵电子束转动直到90的拐角。这一特点 使它可以加热一些不易加热的盲孔表而和其它几何形状复杂的零件。图5是夏基 兄弟公司电子束热处

16、理设备控制系统的方块示意图。该控制系统兼有一个小型的控制计算机和一个高能电子焊接机。信号通过一 个组合电键盘/电视显示终端或用存储器记入J为计算机提供有关光束偏转、电 压电流和焦点方面的数据，计算机根据这些数据指示电子束成击工件表间。所有 其他参数如转位、装料卸料及抽气和系统失灵的判断等也由计算机控制。只要改 变一下程序，计算机就司,以用同一个屯子枪或者进行热处理，或者用丁焊接H最近，德国生产了一种低电斥高功率的电子枪，功率为25千瓦。这种电子 枪比聚焦程度很高的焊接电子枪更适丁作热处理设备，且比相同功率的果接电子 枪价格耍低2530效2.3电子束热处理的加热过程当电子束轰击金屈表而时，电子流

17、却材料中的原子碰撞，并给原子以能量， 电子流穿透材料的深度取决于加速电压的高低和材料密度的大小。例如，用150 千瓦能量的电子束在铁表而上的理论穿透深度大约为0. 076亳米，在铝表而上则 可达0.16亳米，由丁电子束在很短的时间内以密集的能里轰击表面，表而温度 迅速升高而基体仍保持冷态当电子束停止轰击时，热量快速向冷基体金屈扩散， 使加热表而fl行淬火.为了有效地Wfl淬火，整个工件的体根和淬火表而的体 积之间至少要保持5:1的比例。电子束加热表而时，表而温度和淬透深度除和电子束能虽大小有关外还和 轰击时间有密切关系，发击时间长，温度就高，加热层深度也增加，但如果表击 时间太长，使基体金属受

18、热，就会影响H淬火,因此，耍经过试验正前掌握各参 数之间的关系，以及达到所要求的淬透深度上述资料说明，电子束的加热过程和激光热处理的加热过程很类似。所得 到的组织都是超细晶粒，具有任好的机械性能C3对比M激光和电子束热处理都可以进行表面淬火、表而合金化处理、冲击悴火等作.业，都有 十淬火（不需外加淬火冷却介质）、无变形滂特点。但是在实际应用 中它们还是等有特色，比较它们的优缺点，时寇们今后选择合理的加热技术可 能是有益的匚3 1经洪性据目闵报道的资料，电子束热处理的成本比激光热处理的要低n这是山电 子枪的电热转换效率高,一般达90%左右。而激光器的电热转换效率要低得多， 即使是效率较高的赤:琏

19、续激光器，其效率也只有V骁图8是夏基兄弟公司用 不同的表面浒火方法处理|动变速离台器所消熙能量的对比情况U可以看出：电 子束所消耗的能量为最小.感M浒火次之，激光表而津火仅比渗碳消耗的能量小n据报道.热姓理的电子枪的T作成本约为16茂兀小时比激光器的成本 耍少一半以上。在设一佐的最初投资方面，电子束热处理大概每瓦需要8美元，而 高功率的激光器每瓦需要30美元以上。此外，电子束加热的功驱范耦比激光要大口目前，电子枪的功率一般口达 30 一 60 T瓦，最高的可达150千瓦。而最大的工业激光器，目前只能达到巧 -瓦，大多数设备则在C5 TK之间.3. 2佛理醛修大功率激光器要求I 分精心的调整.管

20、理维修较复杂，旦光束导仙机构需要 带水泠反射情。电子束山采用崔偏转系统，因此不会出现像激光系统中反射镜 旋转机构火淀的毛病*屯子束廉统需要有一定的其空性这在设备的设计上是一 个麻烦,但外一方面也带来一盅的好处，即真空状志可以给浒火T件造成一个无 灰尘制无氧化的环境，获得更光亮的捽火表面”3. 3操作方面电子束热处理时处理前的金属表而不需耍特殊的淮拓和深橱，但激光加热前 需要对表而讶牝黑化处理以提布加热漱率，这样就增加了工申电子枪对光束轰 击表而的角度没有特殊限制只要大丁*如就行）,而激光束最好是正有人射“时一些盲孔表画的如机电子束田很小的磁性俯转线罔操飙光束跋动,比 激光用带水冷的反射饶操纵光

21、束转动要更方便”3 4可控性和定位方面激光只有极高的可控性能.时精确的成准如热的T也 屯子束的njfitt则较 激光为运:加工定位也不如激光容城实现*3 5安全防护对电子束和激光热处理的操作人员都必须妇强劳动保护，因为m子束门以引 起乂射线，而激光如果遍出，无论照射在人身上或眼球内，都会引起不在后果。迅过上而的介绍和对比，川一以看出，电子束热处理和激光热处理将成为在T 业应用中的竞争对允就其发展前途来看，电子束热处理在表面津火方而也许有 d -3.加工特点：电子束：（1）.束径小、能量密度高；（2）.非接触加工，加工过程中工具与加工工件之间不存在明显的机械切削力，不产生宏观 应力和变形；.被加

22、工对象范围广；.电子束能量高，加工速度快、效率高；.电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵。离子束：.加工精度和表面质量高；（2）.加工材料广泛；（3）.加工方法丰富;.性能好，易于实现自动化；（3）（4）（5）（1）（4）（5）.应用范围广泛，可根据加工要求选择。激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范围广；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.价格昂贵加工方法：电子束；（1）.电子束扫描曝光；（2）.电子束投影曝光；（3）.电子束表面改性。离子束:（1）.离子束溅射去除加工；（2）.离子束溅射镀膜加工；（3）.离子束注入加工； （4）.离子束曝光加工。激光束

23、：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范围广；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.价格昂贵。*第八章激光表面处理和电子束表面处理第一节激光表面处理激光表面处理：用能量密度极高的激光束来照射金属基体表面，从而改变表面 的成分和结所 达到提高表I面性件的II的，以适应一一1柠对基体材料的出求。 微光表面此案：艺包拓：激光相变硬化、激光胳覆.激光台金化.激光诉晶化却激 光冲出硬化等口激光的特点1高方向性矗光束是平行光速,发散角w以小于几个亳弧度n闵中心的混2 .高亮度性激光本4就具有极高的能量密度绎过聚焦以后, 度W达到上千甚仝上力度.3鬲单色性-具有相同的位相和波I】，所以甲也

24、性好二激光表面处理用的外围装置I光学系洗：转折反射镜般是铜合金镀金的反光镜 聚焦镜n透射型和反射型2机械系统：光束不劫,零件按要求移动的机械装咒 零件不网，光火拔要求移动间机械装置 光速和零件同时艳K求移动的机械装宣三激光表面处理技术及分类登录（-）表-西处理技术I激光加热金属的过程该过程是光和热的转变过程,是通过光子与金和的自由电子相碰撞使电子的能 量提高，从而转化政晶格的热。2激光处理前的表面预处理（1）为什么进行前处理:通常情况下,吸收率仅10%左右2）如何前处理；逃行磷化、黑化或涂覆红外能量吸收材料3激光表面强化见激光表面淬火实例，如下图：材料或零件名称采用的激光设备效果应用单位齿轮转

25、向器箱体 内孔（快索体可锻特跌）5台500w利12台 l(X)0wCO2激光器每件处理时间 18$耐磨性提高9 倍，操作费用仅为 高频淬火或渗碳 处理的1/5美国通用汽车公 词Saginaw转向器分部EDN系列大型增压采油,机汽卸套5 台 500WC02 激光器15min处理一件， 提高耐磨性，成为美国通用汽车公司电力机车分部地址=中国。哈尔滨市松北区精厂街1号邮编：1500274激光表面涂敷涂敷陶瓷热喷涂方法涂敷陶瓷七孔多，有力渣夹杂，有微观裂纹，用激光陶敷 陶瓷可避免上述缺周提高涂敷层质量，延长寿命.有色金属激光涂敷 西安交大对铝合金发动机缸体内壁涂敷硅粉利MoS：、获 得0.1 mm到0

26、.2mm的硬化层，其硬度诃达基体的3.5倍5表面非晶态处理激光加热金属表面至胳融状态以大于临界冷却速度激冷至低于某-特征温度. 防止晶体成核和长大，从而获得非晶态结构持晶态处理可减少表面成分偏析，消除 表层的缺陷和可能存在的裂纹,具有高力学性能,高屈服点，高耐浊耐磨性等优点。 如纺纱机的钢令跑道用此处理，表面硬度达IOOOHV以上,耐磨性提高I至3倍。6激光表面气相沉积用CO?激光器照射,TiCU+ H2+ C02或TiCUCIL的混令气体，由于激光的 分解作用，可在基体表面形成三氧化二铝和二氧化硅的薄层。有短波照射AL（CH0i 和SM6可沉积铝和硅。7激光表面合金化用镀膜或喷涂箸技术把所需

27、合金元索涂敷在金狷表HL然后激光照射，使涂敷 层和基体焰化，混合，形成新的表层，从而提高了表面耐磨性，耐浊性和抗高温氧 化性”（二）激光表面处理分为：I激光表面爆化及自淬火，快速龊固2激光热处理及相变硬化3激光表面合金化登录4激光冲击硬化5激光深敷或激光沉淀，涂房胳凝第二节电子束表面处理一电子束表面处理的主要特点高速运动的电子具有波的性质，用电子束熙射金届时电子能深入金属表而一 定深度与基体表而的原子核和电子发生碰撞作用，使电子束的能量迅速的转化为金 届表面的热能，使其表血温度迅速升高。与激光处埋相比，电子束亦I热的深度和尺寸比激光大.因为电子虫加速电居i.土 125KV.输出共率认IMKW.

28、能量密度达 1田子束姓理主要特火：I加热和冷却:速度快2 勺滋光处理相比成本低3结构简叩,山子-束靠磁偏移转助，扫描而不宙共建转招j移渤脚光传输机 构4电r束与金属表而偶合性好5电了束是在真罕中工作的、以保训1 件表面不被氧化、也借来许多不便*6便用微机系统控制7也子束易激发X射麝应注意防护二 电子束表而处理工艺I表而相变强化处理用散焦方式的电子束轰击金涸表间，控制加热速度为。一1件低,使金属表面 加热到相变温度以上，然后告诉冷却，产生马氏体等相变强化，适用于碳钢，中碳 低合金钢.铸铁等表i强化处理2电子束的表面m靖处理利月电r束轰&工件携面使表面产生如部陪化并快速凝固，可以线化组织，送 到硬

29、度利朗度的最仁配合。1要。工模具的表州处理3电子荷合金化处理登录先将乩有特殊性能的台会粉末涂敷于丁件表昭 在川山子束卖击懈化,&而尝 比成- L ：耐蚀耐磨、耐热的新的仲金材。这的电子束的功率密度应比相变强化高4 Hr.-T-站化处理卜吊聚焦iLTOi特有的高力率密度和极如的作用时间，使金属芯血很薄的一 层融化,燃后以1处片的速度冷却，在金属表而形成-用1*耕II织，具-有很高 的耐蚀、耐热、耐磨性。三电子束表直处理设备包括高压IE虬 电子枪.低真工作耻 传助机构、冏真空系统种M子控制 系统*材料表面改性目的和意义材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的

30、 表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最 经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能， 以新型的功能，实现新的工程应用。因此，现代材料表面改性一是可以使材料表面获得更好的表面特性，有效地延长零件使用寿 命；二是可以用性能较差的合金钢代替优质合金钢，以节省优质合金钢材料；三是可以研制 出新颖材料。这种多功能综合化，用于提高材料表面性能的各种现代表面改性技术统称为现 代表面改性技术。现代表面改性技术适用于金属及其合金、陶瓷、玻璃、聚合物及半导体材 料等多种现代材料。现

31、代材料表面改性技术的发展现代材料表面改性技术是一门由多种学科发展而来的技术组合，其发展经历了很长，很复杂 的过程。传统的表面改性技术，如表面热处理、表面渗碳等已有上百年的历史了。上世纪 50年代高分子涂装技术有了非常大的发展，由古老的刷涂、空气喷涂发展为静电喷涂、流 化床涂装、电泳涂装及静电涂装。60年代以来，传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热。后来，激光器与电子束装置的应 用，出现了激光束、电子束的淬火技术。电镀是一门古老的表面改性技术，相当长时间，电镀只能镀覆纯金属模，目前已能镀覆多种 合金，也可以在表面上镀陶瓷和金刚石粉末，以增加表面的抗磨性。70年代以来，化学镀 有了很大的发展，它已

32、成为一个有效的镀覆手段。近30年来，热喷涂得到了迅速的发展，国内外形成了一种热喷涂技术热，使它在多种工业 部门得到了广泛应用，而且发展出多种类型的热喷涂技术。激光束、电子束成功地应用于现代材料表面改性，出现了如激光表面涂敷、激光表面合金化、 激光表面淬火、电子束表面淬火、表面镀膜等等多种现代材料表面改性技术。激光表面改性激光束的能量密度非常高，因而当它照射在物体表面时能够产生 106108K/cm非常高的温度梯度，使表面迅速熔化。移去热源时，冷的基体又会使熔化部分 以1091011K/s的速度冷却，使表面迅速凝固。由于激光的这种特性，它可用于材料的激光 相变、激光表面合金化与激光熔覆处理，提高

33、材料表面的硬度、抗磨性、抗蚀性。激光束 与金属的相互作用1金属对激光的吸收激光束照射金属时，激光束能量会很快转变为金属 晶格的动能，从而使金属表层迅速熔化，激光束部分能量被吸收，部分能量被反射。金属对 激光的吸收因金属而异，金属的表面状态对于反射率极为敏感，表面越光滑反射率越高，表 面杂质和氧化物会使反射率急剧变化。激光透入金属的深度仅为表面下10-5cm的范围， 所以激光对金属的加热可看作是一种表面热源，在表面层光能变为热能，此后，热能按热传 导规律向金属深处传导。图6.10各种激光加工方法使用的功率密度及时间范围激光相变硬化1.激光相变硬化的机理激光相变硬化得到超高硬度的机理主要是:由于高

34、的加热和冷却速率使生成的马氏体针更加 细化。例如，Cr12中一般淬火的马氏体针长度约6 m，而激光淬火后马氏体针长度约2 m。2激光相变硬化的特点加热和冷却速率高：加热速率可达105109 0C/s对应的加热时间 为10-310-7，s冷却速率可达104107 0C/s扫描速率越快，冷却速率也越快。高硬度： 激光淬火层的硬度比常规淬火层提高15%20%。变形小：激光淬火表面有很大的残余压应 力（可达4000MPa），有利于提高疲劳强度。由于加热层薄，加热激光快，即使很复杂的零 件，变形也非常小。表层显微组织：由于激光加热速率极快，相变在很大的过热度下进行， 形核率很大。因加热时间又很短，碳原子

35、的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体 晶粒小而不均匀。冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。3激光熔化淬火如果提高激光功率，或减小光束直径、减小扫描速率，对金属扫描时，表面薄层被熔化， 当光束离开时，由于冷的基体的散热作用，会产生固相相变硬化所类似的冷却作用，使表层 可产生一层液体金属的激冷组织，这种硬化技术可称为激光熔化淬火。4激光非晶化激光处理的急剧冷却速率是获得非晶态金属的一个重要手段，它也被称为激光上釉。非晶 体合金与对应的晶体相比，强度、韧性和硬度都高，导磁性可与镣铁铝超级导磁合金媲美， 电阻为晶体的23倍，耐蚀性超过不锈钢，但耐疲劳性不及晶体。这种

36、工艺已成功地用于在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减轻50%。5 激光退火激光退火用于半导体材料。6激光冲击硬化激光冲击硬化是以107W/mm2以上 的高功率密度的脉冲激光照射金属表面，使金属表面急剧气化，形成的冲击波反作用于表面 使表面硬化。冲击波的力量可达104Pa，从而使表面产生强烈的塑性变形，增加位错的密度， 提高材料的强度及疲劳寿命。激光表面合金化与激光熔覆激光表面合金化激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨、防腐等性能。激光 表面合金化是指：把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式涂覆到金属基体表面上，通过激光加 热使涂覆层与基体表面共熔而混合，形成表面特种合金层。它是通过熔化表面涂覆层A和 部分基体B把涂覆层元