表面工程-08 高能束表面改性

5.4.2.3 激光表面改性技术 1. 激光淬火
College of Materials Science and Engineering, BJUT
5.4.2.3 激光表面改性技术 1. 激光淬火
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电子速度取决于加速电压的高低， 一般可达到光速的 2/3 左右 电子束加热时，能量的传递主要 通过电子与材料的电子碰撞来实 现，入射电子束动能大约有75% 可以直接转化为热能。
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5.4.3 电子束表面改性技术 5.4.3.2 电子束相变硬化
5.4.2.3 激光表面改性技术 2. 激光熔凝
表面快速加热至熔点温度以上，由基材迅速导热冷 却，使表面熔化层快速冷却并凝固结晶。
特点：硬度高；硬化层深，耐磨性好； 缺点：表面粗糙，后续加工困难
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5.4.2.3 激光表面改性技术 2. 激光熔凝
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5.4.2 激光表面改性 5.4.2.1 主要工业用激光器
激光器 波长 （μm）
10.6
光子 能量 （eV）
0.12
功率
输出 方式
模式
发散角 全角
1-3
电光转 化效率 （%）
15-20
CO2
大，可达 几十千瓦 小，最大 几千瓦
Ｗ １
，
式中， W/S是激光的功率密度，C是光子的速度
b. 表面等离子形成的冲击力
（3）
光作用 光化学反应机制：由于吸收光子能量导致的光分解和裂解 光热化学机制：光子被吸收后分子热振动加剧
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5.4.2.2 激光与物质的作用机理
5.4.1 高能束表面改性
采用激光束、电子束、离子束为代表的高能束流对材料 表面进行改性的技术。
高能束的共同特征是，供给材料表面的功率密度≥103W/cm2。
第七章 气相沉积技术
特点：
1. 功率密度高、作用时间短，易于获得亚稳态组织； 2. 非接触式加热，热应力小； 3. 可控性好，易于传输，处理环境清洁，污染少。
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激光的首次在医学上的成功应用是进 行眼内手术，无需要切开眼球。 早在1962年，一台红宝石激光器将 病人脱落的视网膜与眼球重新连接， 使他恢复了视力。 更大的成功在1968年到来，外科医 生弗朗西斯〃莱斯佩朗斯和贝尔实验 室的工程师使用氩离子激光器破坏异 常的血管，以避免这些血管在视网膜 中扩散，这种病症后果非常严重，会 导致糖尿病人失明。这种治疗方法已 经挽救了数百万人的视力。
连续、 基膜或 脉冲 多模 连续、 多模 脉冲
YAG
1.06
1.16
5-20
3
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5.4.2 激光表面改性 5.4.2.2 激光与物质的作用机理
（1） 热作用 由于激光光子的吸收而产生的热效应 （2）力作用 a. 光压： I = －•－ Ｓ Ｃ
自此之后，劳伦斯利弗莫尔实验室一 直追寻着这个理念，他们使用的激光 器也越来越大，终于在美国国家点火 装臵(National Ignition Facility))中 达到巅峰。这是一个复杂的系统，可 以同时发出192束激光，
去年，在十亿分之几秒的时间内，产生了能 量达到100万焦耳的激光脉冲，使之成为有 史以来能量最强的激光器。国家点火装臵是 美国科学家研制的、世界最大的激光核聚变 装臵。据悉，这个被称为“人造太阳”的装 臵能产生类似恒星内核温度和压力，使美国 在无需核试的情况下保持核威慑力。 11
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埃米特〃利斯(Emmett Leith)和 朱瑞斯〃乌帕特尼克斯(Juris Upatnieks )在1964年使用激光 对全息技术进行了彻底改造，发 明了第一个不需要特制眼镜就能 看到的三维图像。
主要特点： 1. 高单色性 2. 高方向性 3. 高亮度
1. 激光体，2. 光泵浦能量，3. 反射镜， 4.输出功率藕合器，5. 激光束
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1960年在加利福尼亚州马里 布的休斯研究实验室，西奥 多· 梅曼(Theodore Maiman) 设计和建造了一台小型的激 光发生器。 他将闪光灯线圈缠绕在指尖 大小的红宝石棒上，产生了 第一束激光，激光时代由此 开启，从此和人们的生活息 息相关。

45钢表面激光淬火横截面金相组织
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5.4.2.3 激光表面改性技术 1. 激光淬火
影响因素： 基材成分：淬硬性、淬透性 工艺参数：激光参数 表面状态：表面吸收率
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激光技术第一次走进日常 生活，是美国超市使用发 出红色氦氖激光的条形码 扫描枪实现收款自动化。 若尔斯〃阿尔费罗夫 (Zhores Alferovand )和 赫伯特〃克勒默(Herbert Kroemer)改进了制作半导 体二极管激光器的方法， 让激光真正地无处不在。 这两位科学家因此获得了 2000年的诺贝尔物理奖。
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5.4.2.3 激光表面改性技术 3. 激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）
同步送粉堆焊
粉末预置堆焊
同轴送粉
侧向送粉
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第五章：表面工程技术
5.1 电镀，化学镀 5.2 热喷涂 5.3 堆焊 5.4 高能束表面改性 5.5 气相沉积
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稀释率
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5.4.2.3 激光表面改性技术 3. 激光合金化和激光熔覆 （激光堆焊）
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5.4.3 电子束表面改性技术 5.4.3.1 电子束产生原理
5.4.2.3 激光表面改性技术
3. 激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）
激光合金化：利用激光改变金属或者合金表面化学成分的
技术
激光熔覆：用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能
的涂层技术
二者技术实质一样，
合金化 过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表面化学成分；
熔覆 更强调外加合金的熔化，希望在保证冶金结合前提下尽可能降低
梅曼的实验显示，闪光灯发出的足以致盲的强光可以使红宝石棒充能， 这些能量随后以纯粹的红色光脉冲的形式释放，这些相干光有恒定的相 位差，就像是列队前进的士兵们。 4
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随着激光的诞生，军事 机构和小说家看到射线 枪能够成为现实，就开 始着手打造激光武器。 1964年，007电影《金 手指》中大反派“金手 指”奥瑞克威胁詹姆斯邦德，要用激光将他锯 成两半——这在当时， 还是纯粹的幻想。
(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。
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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。
与激光相变硬化原理相仿，但是
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如今，激光也被用来切割角膜，以矫 正视力，或者消除胎记和刺青。
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很久以来可控核聚变都是人们最理想 的清洁能源产生方式。
1962年，在加利福尼亚州的劳伦斯利 弗莫尔国家实验室，物理学家约 翰〃纳科尔斯(John Nuckolls)提出 用激光脉冲加热和压缩重氢同位素块 来实现可控核聚变。
最初时，激光的色彩是相当 有限的：氦氖激光器和红宝 石发出红光，其他激光器则 产生不可见的红外线。 人们借助离子激光器第一次 实现了如彩虹般的七彩激光， 它通过在氩或氪中的高压放 电产生激光。氩气产生蓝色 和绿色的光，氪产生其他几 种颜色，两种气体的混合可 以产生整个可见光谱中的颜 色。梦幻的激光秀从此诞生。
104-105 104-105 104-106 106-1010 104-106
0.2-3 0.2-2 0.2-1 0.01-0.1 0.02-0.2
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5.4.2.3 激光表面改性技术
1. 激光淬火
极快的加热速度和冷却速度 精密节能 自淬火 柔性好，易于自动化生产
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5.4.2.3 激光表面改性技术
工艺方法 功率密度 （W/cm2） 冷却速度 （℃/s） 作用区深度 （mm）
激光淬火 激光合金化 激光熔覆 激光非晶化 激光冲击硬化
104-105 104-106 104-106 106-1010 109-1012
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他们用分裂的激光光束将全息图 记录在感光片上，其中一束激光 先被从被摄物体上反射开来，然 后再与另一束会合，在感光片上 成像。用一束与成像时相同方向 的激光照射感光片，就会在观看 者眼前产生一幅逼真的三维图像。 这张玩具火车图是这两位科学家 在密歇根大学的威洛〃鲁恩实验 室第一次记录的全息图。
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Laser （脉冲）
Densité d’Énergie
plasma
substrat
III
Fusion/é vaporation
II
O2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱN2
ablation des dé fauts
I
D’après José M. Vadillo, J. Javier Laserna, “Laser-induced plasma spectrometry: truly a surface analytical tool”, Spectrochimica Acta Part B, Vol. 59, 2004, pp. 47-161.
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5.4.2 激光表面改性
5.4.2.1 激光 Laser：
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
（通过辐射线的受激放射达到光的放大，简称激光 ）