高能束表面处理PPT课件

2020/4/11
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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.
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。
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（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。
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（四）激光与材料的相互作用
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。
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工业用大功率CO2激光器
l）直管型（纵向流动）激光器。
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2）横流型CO2激光器。
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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。
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。
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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。
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。
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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。
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（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。
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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。
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(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。
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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。
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。
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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。
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。
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（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。
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基模光斑呈圆形，能量较集中。
θ＝2.44λ／d
式中，d为工作物质直径；λ为激光波长。
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（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。
Hale Waihona Puke Baidu
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CO2气体激光器的特点。
C是O中2气红体外激波光段激器光是，以波CO长2为气1体0为.6μ激m活。媒一质般，是发连射续的波 （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。
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。
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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：
高能束表面处理
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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。
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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。
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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.
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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：
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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。