表面工程-08 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。
表面工程学-第四章 高能束表面改性
304不锈钢 5052铝 Ti合金
1.4 激光表面熔覆
一、原理 相变硬化： 表面不熔 表面合金化：粉末全熔，基体有较深熔化，两者全部混合 激光熔覆： 粉末全熔，基体表面微熔， → 结合力↑↑ 二、激光熔覆粉末提供方式
(a) 预置涂层法 (b) 同步送粉法 预置粉末方式有粘结剂预涂覆、火焰喷涂、等离子喷涂、电镀等
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 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）
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。 当注入的离子是C、N、B等轻元素时，会钉扎位错产生强化效应。 (4)弥散强化效应 离子注入会使靶材升温，特别是 N，B，C 会与金属形成 ’ -Fe4N, -Fe3N, CrN, TiN等氮化物，Be2B等硼化物和 TiC等碳化物，并弥散分布，使基 体强化。 (5) 压应力效应 离子注入能把20~50%的材料加入近表面区，使表面成为压缩状态。压缩应 力能填实表面裂纹，阻碍微粒从表面剥落，从而提高抗磨损及抗疲劳能 力。
关于表面工程技术论文
关于表面工程技术论文表面工程是由多个学科交叉、综合、复合，以系统为特色，逐步发展起来的新兴学科，从上世纪八十年代开始一直保持较快的发展速度，在科研和生产中得到广泛应用，收到了良好的效益。
下文是店铺为大家搜集整理的关于表面工程技术论文的内容，欢迎大家阅读参考! 关于表面工程技术论文篇1试谈表面工程技术在模具制造中的应用摘要：作为一门科学与技术，表面工程能够有效的改善电子电器元件、机械零件等基质材料表面的性能。
如今，表面工程中的各项表面技术已经被广泛的应用到各类机电产品当中，显然已经成为了现代制造技术的重要组成部分，是当前维修、再制造环节中是基本手段。
文章首先对模具表面的主要处理技术进行了详细的阐述，其次对表面工程技术在模具制造中的应用进行了系统的分析与探讨。
关键词：模具制造;表面工程技术;应用作为模具工业的基础，模具材料随着模具工业的迅猛发展，其不但需要具备较高的韧性、强度之外，还需要具有良好的综合性能。
通过表面工程技术的应用，不仅能让模具表面的各种性能得到相应的提高，并且模具内部也将保持着足够的强韧性。
显然，它的应用对于模具综合性能的改善、材料潜力的发挥、成本的降低、合金元素的节约以及模具新材料的进一步利用来说，都十分有效。
1 模具表面的主要处理技术1.1 硬化膜沉积技术物理气相沉积技术、化学气相沉积(CVD)是目前较为成熟的硬化膜沉积技术。
硬化膜沉积技术在最早出现的时候，通常都是应用在刀具、量具等工具上，有着极佳的效果。
并且，很多刀具都已经将涂覆硬化膜当做成最为标准的工艺。
在目前的实际应用过程中，我们不难发现，硬化膜沉积技术的成本是较高的，尤其体现在设备的成本上。
同时，硬化膜沉积技术依旧只应用于一些较精密且具有长寿命的模具上，如果通过建立热处理中心的方式来对其应用，必定会大大降低涂覆硬化膜的成本。
显然，在硬化膜沉积技术的应用下，整个模具制造的水平将得到实质性的提高。
1.2 渗氮技术在整个渗氮工艺中，具有离子渗氮、液体渗氮、气体渗氮等多种方式，而每一种不同的渗氮方式中都具有诸多不同的渗氮技术，这些不同的技术能够有效的适应不同工件、不同钢种的实际要求。
表面改性技术ppt课件
图 感应加热表面淬火示意
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二、 表面热处理强化
（二）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是应用氧－乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，
随后淬火冷却的工艺。
优点：与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适
用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、形变小等优点。
缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安
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三、 金属表面化学热处理
根据渗入元素的不同，化学热处理可分以下几类：
(1)渗碳、渗氮、碳氮共渗。可提高材料表面获得高的
硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲 疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。
(2)渗硼。提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。可
用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色金属材料，如钽 和镍基合金。这种方法成本较高。
在真空中采用连续气相沉积激光技术, 在软的基材表 面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。
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五、 离子注入表面改性
离子注入：将所需的某种元素的原子电离成离 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。
（一）离子注入的原理
1、入射离子工件材料与发生相互作用
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一、 金属表面形变强化
精品课件
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一、 金属表面形变强化
2、表面形变强化原理
在形变硬化层中产生两种变化：
在组织结构上，亚晶粒极大地细 化，位错密度增加，晶格畸变度 增大
形成了高的宏观残余压应力
结果：反抗外力的能力增强，表面 强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强 度提高。
表面工程
1.表面工程：经表面与处理后，通过表面涂覆，表面改性，表面加工或几种表面工程技术复合处理，改变固体材料表面的形态，化学成分，组织结构，应力状态等，以获得所需要各类表面性能的系统工程。
2.表面技术主要途径：1）表面覆盖：电镀，电镀刷，化学镀，涂装，粘贴，堆焊和熔结，热喷涂，塑料粉末涂敷，电火花涂敷，热浸镀，搪瓷和陶瓷涂敷，真空蒸镀，溅射镀，离子镀，化学气相沉积，分子束外延，离子束合成薄膜技术，化学转化度，热烫印，暂时性覆盖处理；2）表面改性：喷丸强化，表面热处理，化学热处理，等离子扩散处理，高能束表面处理，粒子注入表面改性；3）表面加工技术：电铸，包覆，抛光，蚀刻等。
3.表面防护：材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等能力。
4.耐磨：指材料在一定摩擦条件下抗磨损（磨料磨损，粘着磨损，疲劳腐蚀，冲蚀，气蚀等）的能力。
5.强化：通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的能力。
6.表面装饰：主要包括光亮，色泽，花纹，仿照等多方面特性。
7.表面技术在环境方面的应用：1）净化大气；2）净化水质；3）抗菌灭菌；4）吸附杂质；5）去除藻类污垢；6）活化功能；7）生物医学；8）治疗疾病；9)绿色能源；10）优化环境。
8.表面技术的分类：1）原子沉积；2）颗粒沉积；3）整体覆盖；4）表面改性。
9.现代表面技术：表面清洗；预处理，表面功能化后处理。
包括表面分析技术，表面物理，表面化学。
10.电刷度：在阳极表面裹上棉花和面絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。
工件→机械处理→化学处理→电化学精处理→预镀→电镀→镀后处理。
11.化学镀：在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面，沉积出与基件牢固结合的镀覆层。
12.涂装：用一定的方法将图料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。
13.粘结：用粘结剂将各种材料或制件连接成为一个牢固整体的方法。
表面改性技术
表面改性技术班级：材料092姓名：朱光辉学号：109012042 课程: 现代表面技术表面改性技术概述：表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。
表面改性技术的研究和应用已有多年。
70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。
表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。
（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。
（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。
（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。
表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。
表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。
表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。
喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。
已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。
喷丸强化原理：（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。
激光束表面改性技术
激光束表面改性技术摘要：激光束表面改性技术在改善材料表面性能,提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。
它作用于材料表面使得材料的表面性能得到了明显的提高，随着研究的深入和技术的逐渐成熟，表面改性技术在工业领域中的应用越来广泛，目前进行材料表面改性的工艺有激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化，本文就其工艺方法进行了综述。
一、引言激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但是直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用。
它是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术，用激光的高辐射亮度，高方向性，高单色性特点，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却, 使金属材料表面在瞬间被加热或熔化后高速冷却，来实现其表面改性的工艺方法。
二、激光相变硬化激光表面相变硬化又称激光淬火，它是以104～105W/cm2高能功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度，使受激光束作用的工件表面部位温度迅速上升到相变点以上，形成奥氏体，并通过仍处于冷却态的基体与加热区之间形成的极高的温度梯度的热传导，一旦激光停止照射，则以105℃/s的速度冷却，实现自冷淬火，形成表面相变硬化层。
三、激光熔覆激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面，使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。
这项技术始于1974年, Gnanamuthu申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利[3]。
经过二十几年的发展, 激光熔覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。
影响激光熔覆的因素主要有熔覆材料的原始成分、基体材料成分、熔覆的工艺参数。
激光熔覆技术示意图见图11.短型光束或高斯型光束2.气动送粉3.测量孔4.振动器5.粉末漏斗箱6.二氧化碳气体激光束高频振动7样品运动8.样品9.熔覆厚度10.熔覆层图1激光熔覆技术示意图⑴激光熔覆材料激光熔覆材料主要有镍基、钴基、铁基自熔性合金和金属陶瓷等类型；激光熔覆材料的选择，主要考虑使用性能及工艺性能等因素。
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。
表面改性技术在表面分析中的应用
表面改性技术在表面分析中的应用随着科技的发展，表面改性技术已经被广泛应用于各个领域，尤其是在表面分析的领域中。
表面改性技术可以通过改变材料表面的物理和化学性质来达到一定的表面改性效果，从而提高材料的性能和应用价值。
本文将介绍表面改性技术的基本原理和常用方法，并探讨其在表面分析中的应用。
一、表面改性技术的基本原理和常用方法表面改性技术可以通过改变材料的表面结构和组成来实现不同的表面改性效果，从而达到提高材料性能的目的。
表面改性技术的原理主要包括物理和化学两个方面。
1. 物理表面改性技术物理表面改性技术主要是通过机械方式改变材料表面的物理状态，从而实现表面改性效果。
其中包括以下几种常用方法：（1）轧制通过轧制可以改变材料表面的形态与结构，进而改变其物理和化学性质。
轧制可以使材料表面的晶体结构产生微观改变，从而提高材料的硬度、韧性和强度等性能。
（2）打磨打磨可以通过切削、抛光等方式改变材料表面的形态和结构，产生不同的表面改性效果。
打磨可以使材料表面变得光滑，从而提高其耐磨性、耐腐蚀性和导电性等性能。
（3）喷砂喷砂可以通过高速喷射砂粒对材料表面进行加工，从而改变其表面形态和结构。
喷砂可以使材料表面产生不同程度的粗糙度，从而改变其摩擦系数、润滑性和防滑性等性能。
2. 化学表面改性技术化学表面改性技术主要是通过化学反应改变材料表面的化学性质，进而实现表面改性效果。
其中包括以下几种常用方法：（1）离子注入离子注入是一种将离子束注入材料表面的方法，它可以在材料表面形成一定厚度的改性层，从而改变材料表面的化学组成和结构，实现表面改性效果。
离子注入可以实现不同种类和能量的离子注入，从而改变材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。
（2）溅射溅射是一种通过高速离子撞击材料表面来实现表面改性的方法，其原理类似于离子注入。
溅射可以改变材料表面的化学成分和结构，从而提高其硬度、耐磨性和导电性等性能。
（3）电化学氧化电化学氧化是一种通过电化学反应在材料表面形成氧化层的方法，其可以改变材料表面的化学组成和结构，实现表面改性效果。
表面工程-第13章高能束表面处理
激光熔覆不锈钢合金层显微组织 (左边深色为基体，右边为不锈钢熔覆层)
汽轮机叶片及转子·激光熔覆 2020/11/6
⑤激光熔覆用途 形成特殊表面层; 零件修复、恢复尺寸。
曲轴轴颈表面·激光熔覆
2020/11/6
13.1.3激光表面合金化技术
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铸铁·大型轧辊·激光合金化
①激光表面合金化工艺 预制涂层法：刷涂、电镀、热扩渗、喷涂等; 同步送粉法：将含有强化粒子材料送入熔池; 激光气体合金化法：激光熔化铝或钛合金通
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13.1.1.2激光表面改性分类 ①不改变基材表面成分
2020/11/6
②改变基材表面成分
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13.1.2激光熔覆技术
2020/11/6
汽轮机转子·激光熔覆 2020/11/6
①激光熔覆材料的添加 预制涂层法：先涂覆、喷涂、电镀一层材料; 同步送料法：将材料直接送入激光熔池,多
用； 2.简述离子注入的原理及应用 。
2020/11/6
等元素离子）加速至几万甚至百万电子伏特能 量，并注入金属材料表层。
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13.3.2离子注入强化机理
①固溶强化; ②细晶强化; ③晶格损伤强化; ④弥散强化; ⑤晶格变换效应; ⑥压应力效应(喷丸强化) 。
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离子注入机
离子注入钨钼精密部件
2020/11/6
离子注入的压丝模具
第13章 高能束表面处理
2020/1Leabharlann /6表面工程高能束表面改性概述 高能束——激光束、电子束、离子束。 表面改性——获得与基体的组织、性能不
同的材料表面。
高能束加热和冷却速度极高——微晶或非 晶制备。
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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 ）
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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
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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。
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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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
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。
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。
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。
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
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
(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。
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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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5.4.2.3 激光表面改性技术 1. 激光淬火
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5.4.2.3 激光表面改性技术 1. 激光淬火
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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
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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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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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。
与激光相变硬化原理相仿，但是
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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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。
Laser （脉冲）
Densité d’Énergie
plasma
substrat
III
Fusion/é vaporation
II
O2 N2
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.