第五章高能束表面改性
表面改性技术-表面热处理
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。
精选表面工程学三表面淬火
表面淬火中的软带问题
特大轴承表面淬火的软带问题
利用高能束（激光束、电子束、等离子束）在被处理工件表面的能量转换加热工件，使其快速加热到Ac3或Acm相变温度以上，然后利用自身快速冷却，在材料表面获得硬化层。
第四节 高能束表面淬火技术
第七章 气相沉积技术
5.4.1 高能束表面改性
图4－3 钢的磁导率、电阻率与加热温度的关系
感应加热淬火技术的基本原理（3）
以齿轮加工为例锻打毛坯→正火处理(~220HB)→粗加工→调质处理（~250HB）→精加工（滚齿）→感应加热淬火→回火（~55HRC）→磨削
二、 感应加热表面淬火工艺流程
齿轮高频淬火
热效率高、加热时间短； 工件表面氧化、脱碳比较轻，变形小； 比普通热处理具有更优异的机械性能； 设备易于实现机械化自动生产，生产效率高； 零件棱边易过热，形状复杂的零件难以保证温度均匀； 设备投资较大。
(图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比。)如今，这样的芯片随处可见，比如说CD播放器、蓝光播放器、红色激光笔并构成了全球电信网络的骨干。
在工业上，激光被用作永远不会变钝的锯和钻头。最初人们使用激光来加工硬度很高的材料，如钻石，或非常柔软的材料，例如婴儿奶瓶的奶嘴。 低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金属。早期的工业激光器，必须要有非常庞大的体形，才能产生足够的能量，但新型固态激光器却非常小巧，给人印象深刻：如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量，足以切开几厘米厚的金属片。
硬化层的厚度可用金相法和硬度法测定。
表面淬火层的组织和硬度分布
硬度法测定硬化层的厚度
金相法测定硬化层的厚度
（1） 表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通淬火高2～5个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余压应力。
材料表面改性的研究现状及其应用
材料表面改性的研究现状及其应用在工业生产和科技研究中，表面改性技术被广泛应用于各种材料的表面处理和改性上，它可以对材料表面的化学、物理和电学性质进行调整，提高材料的机械强度、磨损性、耐腐蚀性、导电性等特性。
本文将介绍当前材料表面改性研究的现状和应用。
一、材料表面改性原理与分类材料表面改性技术的主要目的是通过氧化、还原、质子化、离化等反应，将功能性基团引入材料表面，或改变表面化学状态以达到改善材料性能的目的。
常用的表面改性技术有:1. 化学方法：包括化学还原、化学氧化、化学镀等；2. 物理方法：包括离子注入、等离子体处理、热处理、高能束处理等；3. 生物方法：包括基因工程、酶、激素等的作用。
二、材料表面改性的应用领域材料表面改性技术已经在许多领域中得到了广泛的应用，下面就几个方面来进行说明：1. 质量控制：材料表面改性技术可以提高材料表面的质量，利用化学、物理等方法对材料进行改性处理，提高污染防护和机械抗性等性能，使产品质量更为稳定。
2. 自清洁：在低温等离子处理的作用下，可形成亲水性表面，使污染和尘土更容易被清洁，这种技术被广泛应用于颜料、涂装、医用材料、航空航天、塑料和玻璃等领域。
3. 材料保护与涂装：材料表面改性技术可以有效保护材料，包括防坑、防腐和防水等功能，并能应用于汽车、造船、航空航天等领域。
4. 生物医用：这种方法可通过蛋白质或聚合物材料的修饰获得优良的表面生物相容性，以应用于生物医学领域，如假肢、医用材料等。
三、材料表面改性存在的问题施工技术：材料表面改性需要高精准度的施工技术和相关技术的支持。
精准的施工技术对表面改性效果的影响非常大。
研究人员还需要研究新的改性技术、改善当前技术的可靠性、效率等方面的问题。
应用难以掌握：虽然材料表面改性应用范围广泛，但是只有在对应用程序的了解和协调上取得一定的经验和认识，才能随时解决问题并提供可能的解决方案。
四、结论材料表面改性技术的发展已经成为当前科技和产业内最为重要的领域之一。
《高能束加工》课件
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
聚合物材料的表面改性方法
聚合物材料的表面改性方法聚合物材料是一类具有广泛应用前景的材料，具有质轻、高强度、耐腐蚀等特点。
然而，由于其表面的化学稳定性较差，导致其在某些特殊环境下容易受到损伤。
为了改善聚合物材料的性能，人们通过表面改性方法对其进行处理，并赋予其更多的功能。
本文将介绍一些常见的聚合物材料的表面改性方法。
物理气相沉积（PVD）是一种常见的表面改性方法。
通过将金属等材料以适当的气氛转变为气体态，然后使其在高真空环境中与聚合物材料表面发生反应，从而形成一层新的材料。
PVD能够显著提高聚合物材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
此外，PVD还可以通过控制沉积参数来调节材料层的粗糙度和结构，从而实现对材料性能的精确调控。
化学沉积是另一种常见的聚合物表面改性方法。
化学沉积利用化学反应使金属或其他材料以原子或分子的形式沉积在聚合物材料的表面上。
与物理气相沉积不同，化学沉积可以在常压或低压下进行。
化学沉积能够根据反应条件的不同，形成不同厚度、形貌和成分的材料层，从而使聚合物表面的性能得到改善。
例如，通过化学沉积薄层二氧化硅，可以增强聚合物材料的耐候性和耐磨性。
离子注入是一种通过将离子注入到聚合物表面来改变其性能的方法。
离子注入可以显著改变聚合物的化学结构和表面性质，从而实现对材料性能的调节。
通过控制注入的离子种类和能量，可以使聚合物材料表面发生化学反应，形成新的摩擦性能、光电性能等。
离子注入方法具有对材料表面改性效果持久、成本低廉等优点，因此得到了广泛应用。
高能束流 (EB) 辐照是一种利用电子束对聚合物材料进行表面改性的方法。
在高能束流辐照下，能量较高的电子束穿透聚合物材料，与其分子相互作用，从而引发一系列化学反应。
这些反应可以引起预期的表面改性效果，如增加表面粗糙度、提高耐久性和改善光学性能等。
由于高能束流辐照能够实现材料的局部改性，因此在一些特定应用中得到了广泛应用。
总之，聚合物材料的表面改性是提高其性能的重要途径。
通过物理气相沉积、化学沉积、离子注入和高能束流辐照等方法，可以赋予聚合物材料更多的功能性和改善其性能。
表面改性技术
5
（二）喷丸表面形变强化工艺及应用
1、喷丸材料
铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液 体喷丸介质 黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷 丸 有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸
2、喷丸强化用的设备
按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。 （1）机械离心式喷丸机 功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。 适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。
此涡流能将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布 由表面至心部呈指数规律衰减。因此涡流主要分布在工件表面，工件 内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肤效应。
感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到 淬火温度的。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或 浸水冷却，实现表面淬火工艺。
⑥ 生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度易于控制，适 于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛的应用。 缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。
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2. 感应加热表面淬火原理
图 感应加热表面淬火原理图
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当感应圈中通过一定频率交流电时，在其内外将产生与电流变化频率 相同的交变磁场。将工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内 就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。感应电流沿工件 表面形成封闭回路，通常称之为涡流。
得微细的马氏体组织，提高零件的表面硬度和耐磨性，
零件心部未发生相变。
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表面淬火工艺主要有：
感应加热表面淬火、脉冲表面淬火、火焰加热表面 淬火、接触电阻加热表面淬火、浴炉加热表面淬火、 电解液加热表面淬火及表面保护加热处理等。
热处理新技术简介
（1）离子渗氮
离子渗氮是在低于一个大气压的渗氮气氛中利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉 光放电进行渗氮的工艺。离子渗氮常在真空炉内进行，通入氨气或氮、氢混合气体，炉 压在133～1 066 Pa。接通电源，在阴极（工件）和阳极（真空器）间施加400～700 V直 流电压，使炉内气体放电，在工件周围产生辉光放电现象，并使电离后的氮正离子高速 冲击工件表面，获得电子还原成氮原子而渗入工件表面，并向内部扩散形成氮化层。
电子束加热工件时，表面温度和淬硬深度取决于电子束的能量大小和轰击时间。试 验表明，功率密度越大，淬硬深度越深，但轰击时间过长会影响自激冷作用。
电子束热处理的应用与激光热处理相似，其加热效率比激光高，但电子束热处理需 要在真空下进行，可控制性也差，而且要注意X射线的防护。
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3）离子热处理
离子热处理是利用低真空中稀薄气体辉光放电产生的等离子体 轰击工件表面，使工件表面成分、组织和性能改变的热处理工艺。 离子热处理主要包括离子渗氮和离子渗碳等工艺。
可以在零件选定表面局部加 热，解决拐角、沟槽、盲孔 底部、深孔内壁等一般热处 理工艺难以解决的强化问题。
生产效率高，易实现自动化， 无需冷却介质，对环境无污 染。
度为0.25～0.35 mm，表面硬度 为64 HRC的四条淬火带。处理 后使用寿命提高10倍，而费用 仅为高频感应加热淬火和渗氮 处理的 1 。
5
4 高能束表面改性热处理
高能束表面改性热处理是利用激光、电子束、等离子弧等高功率、高能量密度 能源加热工件的热处理工艺的总称。
1）激光热处理
激光热处理是利用激光器发射的高能激光束扫描工件表面，使表面迅速加热到高温， 以达到改变局部表层组织和性能的热处理工艺。目前工业用激光器大多是二氧化碳激光器。
第9章_高能束表面改性技术
激光熔凝处理后横截面组 织示意图
T10钢激光熔凝层显微硬 度沿淬硬层深度的分布
激光熔凝强化机制
一类是不发生组织的根本变化，仅仅是快速熔凝造成 晶粒结构变化。
普通碳钢：熔凝处理在结晶过程中， 奥氏体从液固界面向表面快速生长， 形成定向排列的柱状晶结构，固态相 变时奥氏体呈等轴晶结构不同。 例45钢激光表面固态淬硬，可达 HRC 56~58
材料对激光吸收的基本特点 E0=E吸收+E反射+E透过
不透明材料
E0=E吸收+E反射
能量集中，热效应只集中在材料表面很薄的区域内。
从0.25μm紫外到10.6μm红外波段，光波在各种金属中的穿
透深度只达到10nm数量级 对金属表面状况极为敏感
金属对红外激光的吸收率：
钢：抛光后，吸收率5.0%，铣削后Ra2.5μm，吸收率18%，喷砂 后，35%，600℃氧化2小时，吸收率可达74%。
激光熔敷Ni60
激光熔覆与类似方法的比较
机械咬合 结合力差 稀释率高 性能差 低稀释率 冶金结合，质量好
热喷涂涂层
堆焊涂层
激光熔敷涂层
激光熔覆涂层及应用
激光熔覆合成自润滑耐磨涂层 提高耐磨性： 提高材料表面的硬度 提高表面光洁度 采用润滑剂 采用Cr3C2提高涂层耐磨性 采用WS2作为固体润滑材料， 降低摩擦系数。
铸铁的激光熔凝组织
激光熔凝应用实例
制药机械零部件激光熔凝强化
挤管模具内表面激光熔凝强化
激光熔凝应用实例
50CrMo轧辊经激光熔凝后过钢量提高50%~80%
9.1.3激光熔覆
将粉末状的金属、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表面，用大 功率密度激光束照射使之全部熔化，同时金属基体表面有 微量熔融。激光束移开后，表面迅速凝固，形成与金属基 体粘的很牢的熔覆层。
工程材料及成形技术基础课课后习题参考答案
工程材料及成形技术基础课课后习题参考答案第一章：1-1 机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？答：机械零件在工作条件下可能承受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用（单负荷或复合负荷的作用）。
力学负荷可使零件产生变形或断裂；热负荷可使零件产生尺寸和体积的改变，产生热应力，热疲劳，高温蠕变，随温度升高强度降低（塑性、韧性升高），承载能力下降；环境介质可使金属零件产生腐蚀和摩擦磨损两个方面、对高分子材料产生老化作用。
1-3 σs、σ0.2和σb含义是什么？什么叫比强度？什么叫比刚度？答：σs－P s∕F0,屈服强度，用于塑性材料。
σ0.2－P0.2∕F0,产生0.2％残余塑性变形时的条件屈服强度，用于无明显屈服现象的材料。
σb－P b∕F0,抗拉强度，材料抵抗均匀塑性变形的最大应力值。
比强度－材料的强度与其密度之比。
比刚度－材料的弹性模量与其密度之比。
思考１－１、１－２.2-3 晶体的缺陷有哪些？可导致哪些强化？答：晶体的缺陷有：⑴点缺陷——空位、间隙原子和置换原子，是导致固溶强化的主要原因。
⑵线缺陷——位错，是导致加工硬化的主要原因。
⑶面缺陷——晶界，是细晶强化的主要原因。
2-5 控制液体结晶时晶粒大小的方法有哪些？答：见P101.3.4.2液态金属结晶时的细晶方法。
⑴增加过冷度；⑵加入形核剂（变质处理）；⑶机械方法（搅拌、振动等）。
2-8 在铁-碳合金中主要的相是哪几个？可能产生的平衡组织有哪几种？它们的性能有什么特点？答：在铁-碳合金中固态下主要的相有奥氏体、铁素体和渗碳体。
可能产生的室温平衡组织有铁素体加少量的三次渗碳体（工业纯铁），强度低塑性好；铁素体加珠光体（亚共析钢），珠光体（共析钢），珠光体加二次渗碳体（过共析钢），综合性能好；莱氏体加珠光体加二次渗碳体（亚共晶白口铸铁），莱氏体（共晶白口铸铁），莱氏体加一次渗碳体（过共晶白口铸铁），硬度高脆性大。
思考题1. 铁-碳合金相图反映了平衡状态下铁-碳合金的成分、温度、组织三者之间的关系，试回答：⑴随碳质量百分数的增加，铁-碳合金的硬度、塑性是增加还是减小？为什么？⑵过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？⑶钢有塑性而白口铁几乎无塑性，为什么？⑷哪个区域的铁-碳合金熔点最低？哪个区域塑性最好？﹡⑸哪个成分结晶间隔最小？哪个成分结晶间隔最大？答：⑴随碳质量百分数的增加，硬度增加、塑性减小。
工程材料及成形技术基础课课后习题参考答案
工程材料及成形技术基础课课后习题参考答案第一章：1-1 机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？答：机械零件在工作条件下可能承受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用（单负荷或复合负荷的作用）。
力学负荷可使零件产生变形或断裂；热负荷可使零件产生尺寸和体积的改变，产生热应力，热疲劳，高温蠕变，随温度升高强度降低（塑性、韧性升高），承载能力下降；环境介质可使金属零件产生腐蚀和摩擦磨损两个方面、对高分子材料产生老化作用。
1-3 σs、σ0.2和σb含义是什么？什么叫比强度？什么叫比刚度？答：σs－P s∕F0,屈服强度，用于塑性材料。
σ0.2－P0.2∕F0,产生0.2％残余塑性变形时的条件屈服强度，用于无明显屈服现象的材料。
σb－P b∕F0,抗拉强度，材料抵抗均匀塑性变形的最大应力值。
比强度－材料的强度与其密度之比。
比刚度－材料的弹性模量与其密度之比。
思考１－１、１－２.2-3 晶体的缺陷有哪些？可导致哪些强化？答：晶体的缺陷有：⑴点缺陷——空位、间隙原子和置换原子，是导致固溶强化的主要原因。
⑵线缺陷——位错，是导致加工硬化的主要原因。
⑶面缺陷——晶界，是细晶强化的主要原因。
2-5 控制液体结晶时晶粒大小的方法有哪些？答：见P101.3.4.2液态金属结晶时的细晶方法。
⑴增加过冷度；⑵加入形核剂（变质处理）；⑶机械方法（搅拌、振动等）。
2-8 在铁-碳合金中主要的相是哪几个？可能产生的平衡组织有哪几种？它们的性能有什么特点？答：在铁-碳合金中固态下主要的相有奥氏体、铁素体和渗碳体。
可能产生的室温平衡组织有铁素体加少量的三次渗碳体（工业纯铁），强度低塑性好；铁素体加珠光体（亚共析钢），珠光体（共析钢），珠光体加二次渗碳体（过共析钢），综合性能好；莱氏体加珠光体加二次渗碳体（亚共晶白口铸铁），莱氏体（共晶白口铸铁），莱氏体加一次渗碳体（过共晶白口铸铁），硬度高脆性大。
离子束表面改性技术
通过建立和完善离子束表面改性的基础理论，结合模拟计算，为改性 技术的优化提供理论支持。
对实际应用的建议
推广离子束表面改性技术在航空航天领域的应用
由于航空航天领域对材料性能要求极高，离子束表面改性技术有望提 高材料的耐腐蚀、耐磨和抗疲劳性能。
促进在能源和环境领域的应用
利用离子束表面改性技术改善能源材料（如电池电极材料）和环保材 料（如光催化材料）的性能，提高能源利用效率和环保效果。
局限性
设备成本高
离子束表面改性设备昂贵，运行和维护成本 较高。
对操作人员技能要求高
离子束处理需要专业的操作人员，对技能和 经验的要求较高。
处理效率低
相对于传统表面处理技术，离子束处理的效 率较低，处理时间较长。
对环境条件敏感
离子束处理过程中，环境因素如温度、湿度 等可能对处理效果产生影响。
未来发展方向
拓展在医疗器械和生物材料领域的应用
通过离子束表面改性技术改善医疗器械和生物材料的生物相容性和功 能，推动医疗科技的发展。
加强技术标准和规范制定
为了推动离子束表面改性技术的广泛应用，需要制定和完善相关技术 标准和规范，确保技术的可靠性和安全性。
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深入研究离子束与材料表面的相互作用机制
离子束表面改性技术的核心在于离子束与材料表面的相互作用，进一 步研究这一机制有助于优化改性效果。
发展新型离子源和加速器技术
提高离子束的能量、束流密度和稳定性，以实现更高效、更广泛的表 面改性应用。
探索与其他表面技术的结合
将离子束表面改性技术与物理气相沉积、化学气相沉积等其他表面技 术结合，以获得更优异的表面性能。
高能束表面改性
四、离子注入材料表面的强化机理
(1)固溶强化效应 依据注入原子的种类及其与基材原子直径比值大小差别，离子注入层的固溶
强化机理有间隙固溶强化与替位固溶强化。 (2)晶粒细化效应 离子注入层的晶粒尺寸较离子注入之前大幅度减少。因此注入层的硬度与强
度也将大幅度提高。 (3)晶格损伤效应 高能量离子注入金属表面后，使晶格大量损伤，产生大量空位和高密度位错。
3. 扫描速度
七、应用
优点：
激光淬火具有加热速度快、 硬度高、变形小、淬火部位可控、 不需淬火介质、生产效率高、无 氧化、无污染等优点
1. 发动机汽缸 1978年，美国通用汽车公司建
成了柴油机汽缸套激光淬火生产 线。寿命↑3倍。
（10万公里不漏油）
国内也已建立了数十条激光 淬火生产线。
螺旋扫描，可避免产生回火 软化区。
三、工艺过程
⑴ 离化→气体，在高温灯丝加速电子的作用下离化。 简单
→金属，先蒸发成原子，然后离化。
复杂
⑵ 分离→磁分析器从离子源产生的正离子中筛选出所需的离子
⑶ 加速→加速器将筛选出的正离子加速到所需的能量
⑷ 聚焦→利用四极透镜系统将离子束进行聚焦
⑸ 注入→聚焦后的离子束高速注入靶面（工件表面）
离子注入过程的原理示意图
⑸ 石油钻头熔覆WC层。
第二节 离子束表面改性
一、离子束能量和表面改性技术的关系
能量在数十eV~数百eV范围内用于离子束沉积；１~５keV范围 为离子刻蚀区，用于表面微细加工；10~30MeV为离子注入区；
二、离子注入定义
离子注入技术是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有 几万到几十万电子伏特的高能离子束后注入到固体材料表面， 形成特殊物理、化学或机械性能表面改性层
高能束表面改性技术.pptx
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激光熔覆工艺示意图
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激光熔覆的应用
激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范 围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。 航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生 产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。 1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB-21侦察轰 炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶 片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元 合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品 质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大 量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。
扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加 热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使 表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光 斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量， 不能达到所需的相变温度。
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此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被 材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料 表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率 越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率 也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面 对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层， 对工件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸 收率大幅提高。
美国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀， 使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的 TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，其耐磨性与CrWMn 钢相比，是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原 用的CrWMn钢制的托板寿命提高了3～4倍。
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结构改变：组织和相的改变
第五章 高能束表面改性技术
高能束的特点：
（1）热源作用在材料表面上的功率密度高、作 用时间极其短暂，加热速度快，处理效率高。
（2）加热的面积可根据需要任意选择，大面积 可用叠加扫描法。
（3）热源属非接触式，且束斑小，热影响区小， 变形小。
（4）高能束热处理靠工件自身冷却淬火，不需介质。 （5）三束直接加热的材料表层深度一般为几微米。
（2）仅对工件表层少量金属加热，耗能少，几乎不发 生热变形，工件变形极小．可以省去矫直及精磨 等工序，便于进行精密件局部表面淬火。
第五章 高能束表面改性技术
（3）能进行内孔或沟槽的侧面及底部的淬火以及复杂 工件表面局部淬火，而用其他方法很难解决。
第五章 高能束表面改性技术
第四章 表面形变强化技术
表面相变强化：采用激光束、电子束或离子束等对金 属零件的表面进行表面淬火，使表面获得快速加热、 快速冷却，让金属表面、亚表面形成新的相变区和 表面强化区。
显微组织变化 相变
改善
抗疲劳强度 耐磨性 耐腐蚀性
优点：表面质量好，可根据不同材质、工件热容量 大小、以及激光处理工艺参数的不同，实现硬度、 强化层深度可控。
相变硬化
非晶化
熔覆
晶粒细化
冲击硬化
第五章 高能束表面改性技术
（1）激光相变硬化：也称激光熔化淬火。是将激光束加热工 件表面至熔化到一定深度，然后自冷至熔层凝固，获得较为 细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。
激光淬火特点： （1）激光束能量密度高，对工件表面加热快，冷却快、
淬硬层马氏体比较细，硬度比常规淬火高5%-20%。
第五章 高能束表面改性技术
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
第五章 高能束表面改性技术
第五章 高能束表面改性技术
第五章 高能束表面改性技术
激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振 荡发射的器件
➢ CO2激光器 输出功率大，转换效率高，一般为15%~20%。
第五章 高能束表面改性技术
（6）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。
（7）表面产生大量缺陷，特别是离子束，除对材料表面加热 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。
（8）高能束加热的可控性好，便于自动化处理。 （9）高能束热源可远距离传输或通过真空室 。
第五章 高能束表面改性技术
种类：
因为激光束、电子束、离子束作为一种高能密度热 源，作用在金属表面所产生的相变、熔化、气化效应是 一致的。因此通常将高能束热处理分为：
高能束相变硬化处理 高能束熔敷处理 高能束合金化 高能束非晶化 高能束冲击硬化 高能束气相沉积
第五章 高能束表面改性技术
➢ 能量传递与转换 ➢ 高能束与物质的三种作用类型：热作用、
力作用、光作用
E0=E反射+E吸收+E透过
式中：E0 为入射到材料表面的高能束的能量 E反射 为被材料表面反射的能量 E吸收 为被材料表面吸收的能量 E透过 பைடு நூலகம்高能束透过材料后的能量
第五章 高能束表面改性技术
热作用 激光光子的能量向固体金属的传输过程 就是固体金属对激光光子的吸收过程。激光与金属 材料交互作用而产生的加热效应取决于材料对激光 光子的吸收。
第五章 高能束表面改性技术
三束材料表面改性技术主要包括两个方面：
1）利用三束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。
光作用 激光与金属材料的交互作用也可以通过光 作用而实现，不过这种作用是一种间接的作用。这 种作用主要用来制备特殊的非金属材料和无机材料， 如金刚石薄膜、类金刚石薄膜等。
第五章 高能束表面改性技术
力作用 当激光束强度远低于熔化门槛值时，由于 金属表面的温度梯度，在亚表层区会产生严重地不 均匀应变。当内应力超过屈服应力时，材料会发生 塑性变形。用激光照射金属表面，表面温度的迅速 增加会使材料发生膨胀，平行于表面的位移受到周 围材料的约束，会产生很大的压应力。如果超过了 材料的弹性极限，就会发生塑性变形，使材料挤出 自由表面。冷却时，材料发生收缩。如果拉应力超 过屈服应力，冷至初始温度就会发生拉伸塑变。
第五章 高能束表面改性技术
5.1 激光表面改性
激光束照射到材料表面时，与材料间的相互作用根据辐射密 度与持续时间分为以下几个阶段：
1）激光照射到材料表面； 2）激光被材料吸收变为热能； 3）表层材料受热升温； 4）发生固态转变、熔化甚至蒸发； 5）材料在激光作用后冷却。
当激光辐射的功率密度与持续时间不变时，上述过程的进展除取 决于被处理材料的特性外，还与激光的波长、材料的温度和表面状 态等有关。
第五章 高能束表面改性技术
原理：
当高能束辐射在金属材料表面时， 无论是光能（激光束），还是电能（电 子束和离子束）均被材料表面吸收，并 转化成热能。该热量通过热传导机制在 材料表层内扩散，造成相应的温度场， 从而导致材料的性能在一定范围内发生 变化。
高能束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的。
第五章 高能束表面改性技术 高能束技术简介
第五章 高能束表面改性技术
定义： 高能束热处理的热源通常是激光 束、电子束、离子束三束。他们共 同的特征是：高能束发生器输出功 率密度至少达到103W/cm2 以上 的能束，定向作用在金属表面，使 其产生物理、化学或相结构转变， 从而达到金属表面改性的目的，这 种热处理方式称为高能束热处理。
➢ 氦-氖气体激光器 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。它以连续放电的方式运转。
➢ YAG 激光器 目前应用最广范的一种固体激光器。波长短。 由于激光呈鲜红色，除做其他用途外，也用在大功率 CO2装置上，作为校准激光器。
第五章 高能束表面改性技术
激光表面改性
不熔化
熔化
汽化
合金化