高能束表面处理

高能束表面处理2023/6/101第一页，共七十二页，编辑于2023年，星期二概述激光束、离子束、电子束三束三束材料表面改性的技术主要包括两个方面：

1．利用三束（激光、电子）的高能量可获得极高的加热和冷却速度，从而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、热平衡相图上不存在的亚稳合金相，从而赋予材料表面特殊的性能。2.利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层进行合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金热力学条件的限制。

2023/6/102第二页，共七十二页，编辑于2023年，星期二三束加热特点：

1．三束直接加热的材料表层一般深度在几微米；2．加热表面功率密度相当大，一般为几个J/cm2,电子束、离子束的脉冲宽度为10-9s，激光的脉冲宽度可短至10-12s;3．材料表面由表及里产生极高的温度梯度，106～108K/cm，从而导致极高的冷却速度，109～1011K/s.4．表面产生大量缺陷，特别是离子束，除加热材料表面外，固体表面受到离子的轰击时，表面原子大量被溅射出来，从而产生缺陷。2023/6/103第三页，共七十二页，编辑于2023年，星期二高能束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成分或结构实现了，成分的改变包括：表面合金化和熔覆；结构的改变包括：组织和相的改变利用高能束的表面合金化的重要特点是可以获得结构上的亚稳组织，往往具有抗蚀能力及较高的机械强度。2023/6/104第四页，共七十二页，编辑于2023年，星期二激光表面处理

激光表面处理的目的：是改变表面层的成分和显微结构；激光表面处理工艺包括：激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等：2023/6/105第五页，共七十二页，编辑于2023年，星期二激光表面处理的许多效果是与快速加热和随后的急速冷却分不开的。加热和冷却速率可达106℃／s－108℃／s。目前，激光表面处理技术已用于汽车、冶金、石油、机车、机床、军工、轻工、农机以及刀具、模具等领域，并正显示出越来越广泛的工业应用前景。2023/6/106第六页，共七十二页，编辑于2023年，星期二一、激光的特点

（1）高方向性。激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度，可以认为光束基本上是平行的。一般的平行平面型谐振腔的激光发射角θ由下式表示：θ＝2.44λ／d式中，d为工作物质直径；λ为激光波长。2023/6/107第七页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（2）高亮度性激光器发射出来的光束非常强，通过聚焦集中到一个极小的范围之内，可以获得极高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可达1014W／cm2，焦斑中心温度可达几千度到几万度，只有电子束的功率密度才能和激光相比拟。2023/6/108第八页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（3）高单色性激光具有相同的位相和波长，所以激光的单色性好。2023/6/109第九页，共七十二页，编辑于2023年，星期二二、激光表面处理设备

激光表面处理设备包括：激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统。2023/6/1010第十页，共七十二页，编辑于2023年，星期二(一)激光的产生

某些具有亚稳态能级结构的物质受外界能量激发时，可能使处于亚稳态能级的原子数目大于处于低能级的原子数目，此物质被称为激活介质，处于粒子数反转状态。如果这时用能量恰好与此物质亚稳态和低能态的能量差相等的一束光照射此物质，则会产生受激辐射，输出大量频率、位相、传播和振动方向都与外来光完全一致的光，这种光称为激光。2023/6/1011第十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（二）激光的模

激光的模系指激光束在截面上能量分布的形式。2023/6/1012第十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期二基模光斑呈圆形，能量较集中。基模与低阶模通常用于激光加工和处理，如焊接、切割等。高阶模由于强度分布较均匀，常用于材料表面均匀加热，可避免局部熔化。2023/6/1013第十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（三）激光的功率密度激光光斑越大，光斑上功率密度越小。因此，选择透镜的焦距和调节工件表面离开透镜的位置对功率密度有重要影响。

2023/6/1014第十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（四）激光与材料的相互作用激光与材料的相互作用主要是通过电子激发实现的。只有一部分激光被材料所吸收而转化为热能，另一部分激光则从材料表面反射。不同材料对不同波长激光的反射率是不同的。一般情况下，电导率高的金属材料对激光的反射率高，表面粗糙度小反射率也高。2023/6/1015第十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期二激光器

1．气体激光器：以气体或蒸气为工作物质，包括原子、分子、离子、准分子、金属原子蒸气等。a)

氦-氖激光器：是最早出现的气体激光器，也是目前用得最广泛的典型原子激光器。它以连续放电激励方式运转。其连续输出功率最大为瓦级。2023/6/1016第十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期二它在可见和红外区有许多激光谱线，最重要的是0.6328μm,1.15μm和3.39μm三条谱线。在激光加设备中，常作红外激光器与导光系统的调整装置。2023/6/1017第十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期二b)

氩离子激光器氩离子激光器是目前可见光区连续功率最高的相干光光源。其最高连续功率已达成150W，效率最高达0.6%,使用寿命超过去1000h,频率稳定度为2×10-5，常用于微加工中。2023/6/1018第十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期二c)

CO2激光器：横向流动、快速轴流（纵流）CO2激光器输出功率大，转换效率高，一般为15～20%.材料加工用的商品CO2激光器输出功率为数十瓦至万瓦(5～20kw)之间，脉冲输出功率为数千瓦至105瓦。CO2激光器的波长为10.6μm.2023/6/1019第十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期二CO2气体激光器的特点。CO2气体激光器是以CO2气体为激活媒质，发射的是中红外波段激光，波长为10.6μm。一般是连续波（简称CW），但也可以脉冲式地工作。其特点是：

①电-光转换功率高，理论值可达4O％，一般为10％－20％。其他类型的激光器如红宝石的仅为2％。②单位输出功率的投资低。③能在工业环境下，长时间连续稳定工作。④易于控制，有利于自动化。2023/6/1020第二十页，共七十二页，编辑于2023年，星期二工业用大功率CO2激光器l）直管型（纵向流动）激光器。

2023/6/1021第二十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2）横流型CO2激光器。

2023/6/1022第二十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期二d)

准分子激光器准分子激光器的工作粒子是一种在激发态复合为分子，而在基态离解为原子的不稳定缔合物。2023/6/1023第二十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期二固体激光器

固体激光器的主要特点是：1)

固体激光器输出光波波长较短，如红宝石激光器输出波长为694.3nm;Nd3+：YAG及Nd3+玻璃激光器的波长为1.06μm，比CO2激光器低一个数量级。对于大多数材料，尤其是金属材料，激光波长越短，吸收系数越大，加热效率越高。2023/6/1024第二十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2）固体激光器输出比较容易用普通光学元件传递，在许多应用中方便灵活。3）固体激光器结构紧凑、牢固耐用、使用维护方便，价格也略低于气体激光器。2023/6/1025第二十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期二

机械系统（l）光束不动（包括焦点位置不动），零件按要求移动的机械系统；（2）零件不动，光束按要求移动（包括焦点位置移动）的机械系统；（3）光束和零件同时按要求移动的机械系统；2023/6/1026第二十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2023/6/1027第二十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期二激光束与金属的交互作用

金属对激光波长的吸收因金属而异，一般为10μm左右，在临界波长以上，金属的反射率非常高，在90%以上，在临界值以下，反射率急剧减小。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。2023/6/1028第二十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期二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，可以看做是一种表面热源，在表面层光能变为热能，此后热能按一般的传导规律向金属深处传导。当激光束强度远低于熔化阀值时，由于辐照金属表面中高的温度梯度的作用，在亚表层区会产生严重的不均匀应变。2023/6/1029第二十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期二根据不同的金属加工要求，选用不同功率的激光功率密度2023/6/1030第三十页，共七十二页，编辑于2023年，星期二激光相变硬化

激光相变硬化中的几个问题1．工件的黑化处理因一般情况下，大部分固体金属都会使波长为10.6μm（CO2）激光的绝大部分反射，如果进行黑化处理可使吸收率大幅度提高。黑化处理主要有：涂碳法、胶体石黑法和磷酸盐法等；其中磷酸盐法最好，其吸收率可达80～90%，膜厚仅为5μm，同时具有防锈性。2023/6/1031第三十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2．

激光束的模式激光束的能量分布和和状态由光束的构型或模式来描述，与光束传输系统相关的激光构型可以有四种模式：高斯模（单模）；多模；矩型模；

顶模2023/6/1032第三十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期二

3.焦距选择与焦深激光热处理多要求淬火带在2mm以上，应选用长焦距的透镜和聚焦反射镜，焦距一般为2m左右。在激光热处理中焦深也是一个非常重要的参数，焦距越大焦深也越大。2023/6/1033第三十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期二扫描速度和方式对硬化带的影响硬化带深度和宽度都随扫描速度的增加而减小。2023/6/1034第三十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期二激光相变硬化的特点

1．

加热和冷却速度高加热速度可达105～109℃/s,对应的加热时间为10-3～10-7s；冷却速率可达104～107℃/s。扫描速率越快，冷却速率也越快2023/6/1035第三十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2．

高硬度激光淬火层的硬度比常远规淬火层提高15～20%。淬火硬度与加热温度有关，与保温时间无关。硬化层深度：通常为0.3～0.5mm。3.变形小2023/6/1036第三十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期二表层显微组织低碳钢分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体；高碳钢分为两层：外层是隐针马氏体；内层是隐针马氏体加未溶碳化物。2023/6/1037第三十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期二中碳钢分为四层：外层是白亮的隐针马氏体；硬度达HV800，比一淬火硬度高100以上；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。2023/6/1038第三十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期二铸铁可分为三层：表层是熔化＋凝固所得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减小；第二层是隐针马氏体加少量残余的石墨及磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏体。2023/6/1039第三十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期二激光处理工艺及应用

1．激光表面强化

2．激光表面涂敷

3．激光表面非晶态处理

4．激光表面合金化

5．激光气相沉积

2023/6/1040第四十页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2023/6/1041第四十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2023/6/1042第四十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期二电子束表面处理

高速运动的电子具有波的性质。当高速电子束照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。电子与原子核的碰撞可看作为弹性碰撞，因此能量传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子碰撞而完成的。所传递的能量立即以热能形式传与金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。这与激光加热有所不同，激光加热时被处理金属表面吸收光子能量，激光并未穿过金属表面。2023/6/1043第四十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期二目前电子束加速电压达125kV，输出功率达150kw，能量密度达103MW/m2，这是激光器无法比拟的。因此，电子束加热的深度和尺寸比激光大。2023/6/1044第四十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期二一、电子束表面处理主要特点

(1)加热和冷却速度快。将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度仅几分之一到千分之一秒，其冷却速度可达l06℃／s～l08℃／s；（2）与激光相比使用成本低。电子束处理设备一次性投资比激光少（约为激光的1／3），每瓦约8美元，而大功率激光器每瓦约30美元；电子束实际使用成本也只有激光处理的一半；2023/6/1045第四十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（3）结构简单。电子束靠磁偏转动、扫描，而不需要工件转动、移动和光传输机构；（4）电子束与金属表面偶合性好。电子束所射表面的角度除3°－4°特小角度外，电子束与表面的偶合不受反射的影响，能量利用率远高于激光。因此电子束处理工件前，工件表面不需加吸收涂层；（5）电子束是在真空中工作的，以保证在处理中工件表面不被氧化，但带来许多不便。2023/6/1046第四十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（6）电子束能量的控制比激光束方便，通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制，。（7）电子束辐照与激光辐照的主要区别在于产生最高温度的位置和最小熔化层的厚度。电子束加热时熔化层至少几个微米厚，这会影响冷却阶段固一液相界面的推进速度。电子束加热时能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎同时熔化。电子束加热的液相温度低于激光，因而温度梯度较小，激光加热温度梯度高且能保持较长时间。（8）电子束易激发X射线，使用过程中应注意防护。2023/6/1047第四十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期二二、电子束表面处理工艺1．电子束表面相变强化处理用散焦方式的电子束轰击金属工件表面，控制加热速度为103℃／s－105℃／s，使金属表面加热到相变点以上，随后高速冷却（冷却速度达108K／S－1010K／S）产生马氏体等相变强化。适用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。2023/6/1048第四十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2．电子束表面重熔处理利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化并快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳配合。

3．电子束表面合金化处理电子束表面合金化所需电子束功率密度约为相变强化的3倍以上，或增加电子束辐照时间，使基体表层的一定深度内发生熔化。

4．电子束表面非晶化处理

电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化处理相似，只是所用的热源不同而已。

2023/6/1049第四十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期二三、电子束表面处理设备

处理设备包括：高压电源、电子枪、低真空工作室、传动机构、高真空系统和电子控制系统。2023/6/1050第五十页，共七十二页，编辑于2023年，星期二第八节

离子注入表面改性

离子注入是将所需物质的离子在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工件表面一定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。用离子注入方法可获得高度过饱和固溶体、亚稳定相、非晶态和平衡合金等不同组织结构形式，大大改善了工件的使用性能。离子注入已在表面非晶化、表面冶金、表面改性和离子与材料表面相互作用等方面取得了可喜的研究成果。2023/6/1051第五十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期二一、离子注入的原理

装置包括离子发生器、分选装置、加速系统、离子束扫描系统、试样室和排气系统。从离子发生器发出的离子由几万伏电压引出，进入分选部，将一定的质量／电荷比的离子选出。在几万至几十万伏电压的加速系统中加速获得高能量，通过扫描机构扫描轰击工件表面。离子进入工件表面后，与工件内原子和电子发生一系列碰撞。

2023/6/1052第五十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期二注入离子与工件内原子和电子发生一系列碰撞。这一系列碰撞主要包括

三个独立的过程：

（l）核碰撞。入射离子与工件原子核的弹性碰撞。碰撞结果使固体中产生离子大角度散射和晶体中产生辐射损伤等。（2）电子碰撞。入射离子与工件内电子的非弹性碰撞，其结果可能引起离子激发原子中的电子或使原子获得电子、电离或X射线发射等。（3）离子与工件内原子作电荷交换。2023/6/1053第五十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期二

二、沟道效应和相照损伤高速运动的离子注入金属表层的过程中，与金属内部原子发生碰撞。由于金属是晶体，原子在空间呈规则排列。当高能离子沿晶体的主晶轴方向注入时，可能与晶格原子发生随机碰撞，若离子穿过晶格同一排原子附近而偏转很小并进入表层深处，这种现象称为沟道效应。2023/6/1054第五十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期二辐照损伤具有足够能量的入射离子，或被撞出的离位原子，与晶格原子碰撞，晶格原子可能获得足够能量而发生离位，离位原子最终在晶格间隙处停留下来，成为一个间隙原子，它与原先位置上留下的空位形成空位一间隙原子对。这就是辐照损伤。只有核碰撞损失的能量才能产生辐照损伤，与电子碰撞一般不会产生损伤。2023/6/1055第五十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期二辐照增强扩散辐照增强了原子在晶体中的扩散速度。由于注入损伤中空位数密度比正常的高许多，原子在该区域的扩散速度比正常晶体的高几个数量级。这种现象称辐照增强扩散。2023/6/1056第五十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期二三、离子注入的特征（l）离子注入法不同于任何热扩散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和扩散系数的影响。因此，用这种方法可能获得不同于平衡结构的特殊物质，是开发新型材料的非常独特的方法；2023/6/1057第五十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（2）离于注入温度和注入后的温度可以任意控制，且在真空中进行，不氧化，不变形，不发生退火软化，表面粗糙度一般无变化，可作为最终工艺；（3）可控性和重复性好。通过改变离子源和加速器能量，可以调整离子注入深度和分布；通过可控扫描机构，不仅可实现在较大面积上的均匀化，而且可以在很小范围内进行局部改性。2023/6/1058第五十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（4）可获得两层或两层以上性能不同的复合材料。复合层不易脱落。注入层薄，工件尺寸基本不变。

但从目前的技术水平看，还存在一些缺点，如注入层薄（＜1μm）离子只能直线行进，不能绕行，对于复杂的和有内孔的零件不能进行离子注入，设备造价高，所以应用还不广泛。2023/6/1059第五十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期二四、离子注入表面改性的机理1．离子注入提高硬度、耐磨性和疲劳强度的机理离子注入提高硬度是由于：注入的原子进入位错附近或固溶体产生固溶强化的缘故。当注入的是非金属元素时，常常与金属元素形成化合物，如氮化物、碳化物或硼化物的弥散相，产生弥散强化。离子轰击造成的表明压应力也有冷作硬化作用，这些都使得离子注入表面硬度显著提高。2023/6/1060第六十页，共七十二页，编辑于2023年，星期二离子注入之所以能提高耐磨性，其原因是多方面的。离子注入能引起表面层组分与结构的改变。大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线周围，形成柯氏气团，起钉扎位错的作用，使表层强化，加上高硬度弥散析出物引起的强化，提高了表面硬度，从而提高耐磨性。另一种观点认为耐磨性的提高是离于注入引起摩擦系数的降低起主要作用。还认为可能与磨损粒子的润滑作用有关。因为离子注入表面磨损的碎片比没有注入的表面磨损碎片更细，接近等轴，而不是片状的，因而改善了润滑性能。2023/6/1061第六十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期二离子注入延长疲劳寿命离子注入改善疲劳性能是因为产生的高损伤缺陷阻止了位错移动及其间的凝聚，形成可塑性表面层，使表面强度大大提高。分析表明，离子注入后在近表面层可能形成大量细小弥散均匀分布的第二相硬质点而产生强化，而且离子注入产生的表面压应力可以压制表面裂缝的产生。从而延长了疲劳寿命。2023/6/1062第六十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期二2．离子注入提高抗氧化性的机理离子注入显著提高了材料抗氧化性。这是由于：（1）注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道，防止氧进一步向内扩散；（2）形成致密的氧化物阻挡层。某些氧化物，如Al2O3、Cr2O3、SiO2能形成致密的薄膜，其他元素难以扩散通过这种薄膜，起到了抗氧化的作用；（3）离子注入改善氧化物的塑性，减少氧化产生的应力，防止氧化膜开裂；（4）注入元素进入氧化膜后改变了膜的导电性，抑制阳离子向外扩散，从而降低氧化速率。2023/6/1063第六十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期二3．离子注入提高耐腐蚀性的机理离子注入不但形成致密的氧化膜，而且改变表面电化学性能，提高耐蚀性。如Cr+注入Cu，能形成一般冶金方法不能得到的新亚稳态表面相，改善了铜的耐腐蚀性能；用Pb+注入Ti后，在沸腾的浓度为1mol/L的H2SO4中耐蚀电位接近纯铅，使耐蚀性大大提高。

2023/6/1064第六十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期二五、离子注入的应用（一）注入冶金学注入冶金学包括两大研究领域：制备新合金系统；测定金属和合金的某些基本性质。1．离子注入金属表面合金化离子注入金属表面会改善材料的耐磨性、耐蚀性、硬度、疲劳寿命和抗氧化性等。其原因是多方面的。以下从微观角度分析离子注入改善性能的可能机制。2023/6/1065第六十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期二（1）辐照损伤强化离子注入产生的辐照损伤增加了各种缺陷的密度，改变了正常的晶格原子的排列。但研究表明，辐照本身不能改善材料耐磨性。耐磨性和耐蚀性的改善