高能束表面改性技术
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
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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
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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。
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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
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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。
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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。
金属表面修饰的技术研究及应用
金属表面修饰的技术研究及应用在现代工业制造中，金属表面修饰技术扮演着重要的角色，它可以改善金属材料的表面质量，提高金属材料的使用寿命以及改善材料的性能。
总的来说，金属表面修饰技术可以提高金属材料的物理和化学性质，从而扩大金属材料的应用领域。
本文将详细探讨金属表面修饰技术研究的现状及其应用。
一、金属表面清洁技术金属表面清洁技术可分为化学清洗法、机械清洗法和物理清洗法三种。
其中机械清洗法和物理清洗法都是借助于物理与化学作用实现清洗的，比如切削、抛光、内外喷砂和爆破等。
而化学清洗法是把化学反应引入金属表面处理过程中，利用化学反应与物理反应所产生的溶解、分解、热效应等力和作用，来去除杂质和改善表面质量。
该方法以酸性或碱性溶液处理金属表面，被处理的金属通过表面反应来实现清洗的目的。
二、金属表面涂覆技术金属表面涂覆技术主要采用热喷涂、电化学沉积、真空喷涂、气体等离子体涂覆、电弧喷涂、喷涂焊接等方法。
不同的涂覆表面形成不同的涂层类型，例如：硬化层、防腐层、抗磨层等。
金属的涂覆技术在金属表面工程领域中是十分重要的，其作用是通过改变金属表面的组成、结构和成分，来提高金属材料的性能，如硬度、耐腐蚀性、耐磨性、耐高温性等。
在实际生产应用中，金属表面涂覆技术被广泛应用于汽车制造、造船、飞机制造、机床加工、电子器件制造、冶金工业、石油化工等领域。
三、金属表面改性技术金属表面改性技术是采用高能束流和等离子体技术等方法，可以对金属表面进行线和面改性，从而得到具有特殊性质的新型材料。
其方法主要包括等离子体表面改性技术、高能束技术、低能离子注入技术、金属熔喷涂技术等，可以在金属材料内部和表面形成新型的物理、化学和微结构特性。
金属表面改性技术的研究领域很广泛，如新材料研制、原位反应增强金属材料性能、环保和能源领域等等。
虽然金属表面改性技术的研究和应用还处于起步阶段，但它的应用前景非常广阔。
结尾：总的来说，金属表面修饰技术的发展有助于提高金属材料的使用寿命和性能，从而推动工业制造的发展。
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。
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。
高能束表面改性技术
国内自20世纪80年代以来激光相变硬化工艺的应用开发在车辆、机械、矿山、模具等方面也有许多成功的实例并建立了生产线,例如对汽车或拖拉机汽缸套内壁进行激光相变硬化处理，使汽缸套的使用寿命成倍提高。
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激光合金化与激光熔覆
激光合金化与熔覆是同一种类型的工艺，它们的区别仅在于，激光合金化所形成的合金层的成分是介于施加合金与基体金属之间的中间成分，即施加合金受到较大或一定的稀释。而激光熔敷则是除较窄的结合层外，施加合金基本保持原成分很少受到稀释。 这些区别可以由被施加材料、施加合金成分、施加形式及量和激光工艺参数的改变来达到。
#2022
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电子束表面处理的特点
2.电子束表面改性工艺
1）电子束表面相变硬化
电子束表面相变硬化也称电子束表面淬火，是用高能量的电子束快速扫描工件，控制加热速度为103～105℃/s，使金属表面薄层被快速加热到相变点以上，此刻工件基体仍处于冷态。随着电子束的移开和热传导作用，表面热量迅速向工件心部或其他区域传递，高速冷却(冷却速度达108K／s～1010 K／s)产生马氏体等相变，在瞬间实现自冷淬火。
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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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常用的黑化处理方法有磷化法、碳素法和熔覆红外能量吸收材料(如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料等)。其中磷化法最好，其吸收率可达80%～90％，膜厚仅为5μm，具有较好的防锈性，激光处理后不用清除即可用来装配。
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3）电子束表面合金化
电子束表面合金化与激光表面合金化有些相似，将某些具有特殊性能的合金粉末或化合物粉末如B4C、WC等粉末预涂敷在金属的表面上，然后用电子束加热，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，在表面形成与原金属材料的成分和组织完全不同的新的合金层，从而使零件或零件的某些部位提高耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化的特种性能。
生物医学材料表面改性与性能优化
生物医学材料表面改性与性能优化生物医学材料的表面改性与性能优化是一项关键的研究领域，在生物医学工程与医疗器械领域具有广泛的应用前景。
通过对材料表面进行改性，可以改善材料的生物相容性、机械性能、抗菌能力等关键性能，从而提高其在医疗领域的使用效果。
一种常见的表面改性方法是利用物理方法对材料进行处理，例如等离子体处理、高能束辐射、激光照射等。
这些方法可以改变材料表面的形貌、化学结构和表面能，从而影响材料的表面性能。
例如，等离子体处理可以增加材料表面的粗糙度，增强细胞与材料表面的黏附力，提高细胞生长和组织再生效果。
高能束辐射和激光照射可以改变材料表面的化学结构，增加材料表面的亲水性，提高其润湿性能。
通过这些物理方法对生物医学材料的表面进行改性，可以使材料更适合生物体内的应用。
除了物理方法，化学方法也是常用的生物医学材料表面改性的手段之一。
例如，可以利用溶液中的活性基团与材料表面上的官能团进行化学反应，形成化学键，从而将功能性分子固定在材料表面上。
这可以实现对材料表面的化学修饰，并赋予材料新的性能。
例如，可以在材料表面引入生物活性物质，如药物、蛋白质和细胞识别分子，实现药物缓释、组织工程和仿生材料的制备。
此外，生物医学材料的表面改性还可以通过纳米技术来实现。
纳米技术可以通过控制材料的尺寸、形状和表面结构，调控材料的性能。
例如，可以利用纳米颗粒在材料表面形成纳米颗粒膜，增加表面积，改变表面能和化学活性。
纳米颗粒还可以作为载体，将生物活性物质固定在材料表面上。
此外，纳米材料还可以通过调控其形貌和表面特性，实现对材料表面的光、电和磁性能的调控，从而使材料在生物医学领域具有更多应用的可能性。
生物医学材料的表面改性不仅可以改善其生物相容性、机械性能和抗菌能力，还可以对材料的生化反应、生物响应和细胞材料相互作用等方面进行调控。
例如，可以通过表面改性来调控材料与细胞间的相互作用，促进细胞的黏附和增殖，或者抑制细胞的生长和炎症反应。
电子束表面改性技术的研究及应用探讨
电子束表面改性技术的研究及应用探讨电子束表面改性技术是现代材料科学中的一个重要研究方向。
该技术是通过向材料表面注入电子束，使原有的结构发生改变，从而达到增强材料性能的目的。
这种技术主要应用于材料表面的微观结构改变和材料性能的改善。
今天我们来探讨一下电子束表面改性技术的研究和应用。
一、电子束表面改性技术的研究电子束表面改性技术是金属表面改性的一种有效方法。
电子束表面改性技术的原理是通过电子束的加速器将电子束加速到一定的能量后，注入到材料表面，使其发生结构变化。
电子束注入后，材料表面上的晶体会发生位错、变形等变化，从而改变其物理性质。
电子束表面改性技术的研究主要针对对材料表面的改变进行研究。
目前主要的研究方向有以下几个：1. 电子束注入量的控制电子束注入量的大小对材料的性质改善有重要的影响。
过度注入会造成材料的熔化或蒸发，导致严重的损坏。
因此，需要通过精确的控制电子束的注入量，以达到材料表面的最佳改性效果。
2. 电子束的能量电子束的能量对材料表面的改性效果有显著影响。
通过调节电子束的能量，可以改变材料表面的晶体结构，从而提升材料的性能。
3. 电子束注入时间和速度电子束注入时间和速度也对电子束表面改性技术的效果有重要的影响。
一般来说，注入时间和速度都需要控制在合适的范围内，以避免材料表面的熔化、蒸发或其他形变等问题。
二、电子束表面改性技术的应用电子束表面改性技术的应用不仅局限于材料改性，还可以应用于其他领域。
以下是其主要应用领域：1. 电子束表面改性技术在航空航天领域的应用电子束表面改性技术在航空航天领域的应用越来越广泛。
它可以用于制造各种支架、引擎和其他重要部件。
电子束表面改性技术可以提升这些材料的性能，降低摩擦系数和阻力等，大大提高了安全性和寿命。
2. 电子束表面改性技术在医学领域的应用电子束表面改性技术在医学领域的应用也很广泛。
它可以用于制造人造骨骼植入物、心脏支架和其他医疗器械。
电子束表面改性技术还可以增强这些材料的生物相容性，从而减少排异反应的几率。
离子束在材料表面处理中的应用
离子束在材料表面处理中的应用离子束技术是一种高纯度、高能量的表面处理技术，可以通过高速离子注入改变表面物理和化学性质。
离子束广泛用于材料表面处理，如表面改性、薄膜制备、纳米材料制备等。
本文将从离子束处理的原理、应用、优点和限制等角度进行阐述。
离子束处理的原理离子束处理是通过将离子注入固体表面，改变表面的物理和化学性质，从而达到特定的表面处理效果。
离子源将离子加速到高速，通过电磁场控制离子束的流向和能量分布，使离子束能够精确地定位和加工。
离子束在表面处理中的应用离子束处理技术在材料表面处理中具有广泛的应用。
主要包括以下方面。
1. 表面改性通过离子束处理可以改变材料表面的物理、化学性质，包括表面形貌、化学成分、晶体结构等。
离子束处理可以增加表面的粗糙度、改变表面形貌，从而增强表面的吸附能力和润湿性。
通过改变表面的化学成分，离子束处理可以增强化学反应的活性或抑制化学反应的发生。
离子束处理可以改变材料的晶体结构，例如在多晶硅上实现单晶硅的生长，从而提高硅片的电子器件性能。
2. 薄膜制备离子束沉积技术可以在固体表面制备各种材料的薄膜。
薄膜制备技术是材料科学和工程领域的热点之一，离子束沉积技术具有优异的薄膜制备能力和良好的薄膜质量，可以应用于集成电路、光学薄膜、金属涂层等领域。
3. 纳米材料制备离子束处理可以用于纳米材料的制备，例如碳纳米管、纳米线、纳米粒子等。
通过离子束诱导生长，可以获得高质量的纳米材料，并且可以精确定位纳米材料的生长。
离子束处理的优点离子束处理在表面处理中具有许多优点。
1. 离子束处理可以精确地加工表面，实现微米、纳米级别的处理。
2. 离子束处理可以轻松地控制离子的种类、能量和注入剂量，从而实现高度定制化的表面处理。
3. 离子束处理的加工速度较快，一般只需要几十分钟至数小时即可完成。
4. 离子束处理对材料的损伤相对较小，不会影响材料的基本结构和性能。
离子束处理的限制离子束处理也存在一些限制。
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 。
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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。
高能束焊接技术的发展和应用
高能束焊接技术的发展和应用随着制造业的不断发展，高能束焊接技术逐渐成为一种越来越重要的工艺。
高能束焊接技术是一种利用高能量的电子、光子或离子束来完成焊接、切割和表面改性等工艺的技术。
它具有焊接速度快、能量密度高、变形小等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子工业、医疗器械等领域。
高能束焊接技术的发展可以追溯到上世纪五十年代，当时主要应用于核工业领域。
随着国际间高能束技术的研究交流，高能束技术也逐渐得到了广泛的应用和发展。
在航空航天领域，高能束焊接技术可以用来制造航天器发动机、飞行器发动机喷气喉等重要部件。
在船舶制造领域，高能束焊接技术可以大幅缩短船体建造周期，提高船体质量和疲劳寿命。
在汽车制造领域，高能束焊接技术可以用来制造汽车车身和发动机等部件。
在电子工业领域，高能束焊接技术可以用来制造电子元器件、太阳能电池板等产品。
在医疗器械领域，高能束技术可以用来制造医疗器械的金属部件。
高能束技术的原理是利用高能量的电子、光子或离子束来加热和熔化工件表面，在保持焊接部位几乎不变形的同时完成焊接。
高能束焊接技术的能量密度极高，可以达到几千万到几亿焦/毫米，因此可以在很短的时间内完成焊接过程。
高能束焊接技术通常包括电子束焊、激光焊和离子束焊三种。
在这三种方法中，激光焊是应用最广泛的一种方法。
激光焊接可以完成多种材料的焊接，包括金属、塑料、玻璃等。
高能束焊接技术的应用带来了许多好处：首先，高能束焊接技术可以大大缩短制造周期和提高生产效率。
其次，在高能束焊接技术中，焊接区域的热影响区较小，因此可以减少材料的变形。
此外，高能束焊接技术还可以提高焊缝的质量，减少焊接缺陷和气孔等缺陷的产生。
然而，高能束焊接技术也存在一些局限性，例如高能束焊接设备的成本较高，操作难度较大，需要高技能人才进行操作等。
此外，大多数高能束焊接技术对材料的要求较高，材料的种类、大小等要求比较严格。
综上所述，高能束焊接技术是一种极具发展潜力的技术。
金属材料表面改性技术及其在防腐蚀方面的应用研究
金属材料表面改性技术及其在防腐蚀方面的应用研究随着科学技术的不断发展和工业化进程的推进，金属材料在各个领域中扮演着重要的角色。
然而，金属材料的表面往往容易受到腐蚀的侵袭，严重影响了它们的使用寿命和性能。
因此，研究金属材料表面改性技术，并将其应用于防腐蚀方面，具有重要的意义。
一、表面改性技术的分类表面改性技术是指通过改变金属材料表面的组织结构、化学组成或物理性能，以达到提高其耐腐蚀性能的目的。
目前，常用的表面改性技术主要包括表面涂层、表面合金化、表面硬化和表面模拟处理等。
1. 表面涂层表面涂层是一种常见的表面改性技术，通过在金属材料表面形成一层保护性的涂层，起到隔绝金属表面与外界介质的作用，有效防止腐蚀。
常见的表面涂层材料有有机涂层、无机涂层和陶瓷涂层等。
其中，陶瓷涂层由于其高硬度和耐高温的特点，被广泛应用于抗腐蚀领域。
2. 表面合金化表面合金化是通过在金属材料表面加工形成新的化合物或合金层，改变其表面性能。
常用的表面合金化方法有化学合金化、电化学合金化和物理合金化等。
通过表面合金化，可以增强金属材料的耐盐雾腐蚀性能、耐高温氧化性能等。
3. 表面硬化表面硬化是通过加工或热处理等方法，在金属材料表面形成一层具有高硬度的硬化层。
这种硬化层不仅可以增强金属材料的强度和硬度，还可以提高其抗腐蚀性能。
常见的表面硬化方法有淬火、焊接热影响区调质、表面强化和高能束流处理等。
4. 表面模拟处理表面模拟处理是一种新型的表面改性技术，通过模拟自然界中金属材料的表面形貌和微结构，提高其表面的腐蚀性能。
这种方法主要包括等离子体模拟处理、雷射表面处理和电子束表面处理等。
二、表面改性技术在防腐蚀方面的应用研究表面改性技术在防腐蚀方面具有重要的应用价值。
下面以两种常见的表面改性技术为例，论述其在防腐蚀方面的应用研究。
1. 表面涂层技术在防腐蚀中的应用表面涂层技术是一种简单有效的防腐蚀方法。
例如，在冶金工业中常用的电镀技术，可以制备出具有较好耐腐蚀性能的金属表面。
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。
高能束流加工技术
高能束流加工技术高能束流(High Energy Density Beam)加工技术是利用激光束、电子束、离子束和高压水射流等高能量密度的束流(其中高压水射流是冷切割加工技术)，对材料或构件进行特种加工的技术。
它的主要技术领域有激光束加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体加工技术以及高能束流复合加工技术等。
它包括焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工等，用于加工制造具有先进技术指标的构件或制备新型材料。
高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域，是当今世界高科技与制造技术相结合的产物，是制造工艺发展的前沿。
它具有常规加工方法无可比拟的优点。
①能量密度极高，可以实现厚板的深穿透加工、焊接和切割，一次可焊透300mm厚的钢板。
②可聚焦成极细的束流，达到微米级的焦点，用于制造微孔结构和精密刻蚀。
③可超高速扫描(速度达900m／s)，实现超高速加热和超高速冷却(冷却速度达104℃/S)，可以进行材料表面改性和非晶态化，实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属基复合材料的制备。
④能量密度可在很大范围内进行调节，束流受控偏转柔性好，可进行全方位加工。
⑤适合于金属、非金属材料加工，可实现高质量、高精度、高效率和高经济性加工。
随着航空航天、微电子、汽车、轻工、医疗以及核工业等的迅猛发展，对产品零件的材料性能、结构形状、加工精度和表面完整性要求越来越高，传统的机械加工方法在高技术制造领域所占比重日益减少，高能束加工方法得到了广泛的应用。
例如，把高能束加工技术的深穿透特点用于重型装备厚壁结构、压力容器、运载工具、飞行器的焊接；把精密控制的微焦点高能量密度的热源用于微电子和精密器件的制造，高质量、高效率地实现超大规模集成元件、航空航天航海仪表、陀螺、膜盒的制造和核动力装置燃料棒的封装；利用高能束加工技术的可控高速扫描，实现航宇动力装置上气膜冷却小孔层板结构的高效率、高质量制造；利用高能束加工技术可在真空、高压条件下全方位加工的特点，实现在太空条件下的加工作业；利用高能束加工技术高速加热和高速冷却的特点，对金属材料表面改性和非晶态化，制备特殊功能的涂层和新型材料。
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
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
2020/11/6
13.1.1.2激光表面改性分类 ①不改变基材表面成分
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②改变基材表面成分
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13.1.2激光熔覆技术
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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 。
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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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电子束改性的特点
a)加热、冷却速度快。 b)成本低。 c)设备结构简单。 d)能量控制简便。 e)电子束与金属表面作用耦合性好，能量利用率高。 f)处理中工件不被污染，质量好。 g)电子束加热的深度和尺寸范围比激光束大。 电子束因易激发x射线，在使用中应注意防护。
电子束改性的方法
电子束表面硬化 电子束表面熔凝 电子束表面合金化 电子束熔覆 电子束表面非晶化
电子束表面硬化
定义：利用电子束轰击金属工件表面，使表 面被加热到相变温度以上，高速冷却产生马 氏体相变强化。 比较适合于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材 料的表面强化。
电子束表面熔凝
定义：用高能量密度的电子束轰击工件表面， 使表面产生局部的重新熔化，并在冷基体的 作用下快速凝固，从而使组织细化，实现硬 度和韧性的最佳结合。 最适用于铸铁、高碳高合金钢。
离子注入的优点： 离子注入的优点： a可得到用其它方法得不到的新合金相； b离子注入层与基体结合牢固； c对注入元素的数量可控性、重复性好 ； d工件表面无形变、无氧化； e通过磁分析器分析注入束，可获得纯的离子束 流； f离子注入的直进性特别适宜集成电路微细加工 的技术要求。 g周期表上的任何元素，都可注入任何基体材料；
激光合金化和熔覆
激光合金化
激光合金化：是用激光将基体表面熔化，同 时加入合金元素，在以基体为溶剂、合金元 素为溶质的基础上构成所需合金层的一种技 术。
这种快速熔化的非平衡过程可使合金元素 在凝固后的组织达到很高的过饱和度，从 而形成普通合金化方法不易得到的化合物、 介稳相和新相，在合金元素消耗量很低的 情况下获得具有特殊性能的表面合金。
离子注入提高材料疲劳强度的原因： a高损伤缺陷阻止了位错的移动； b喷丸强化作用：更多离子加入近表面区域，使 表面产生压应力，抑制裂纹的产生。
离子注入提高材料表面耐腐蚀性能的原因： a形成稳定致密的氧化膜； b形成表面合金、亚稳相合金、非晶态合金。
离子注入提高材料抗氧化性能的原因： a注入元素在晶界富集，阻碍了氧的扩散； b形成致密的氧化阻挡层。
离子束表面改性
离子注入的原理： 离子注入：把某种元素的原子电离成离子， 并使其在电场中进行加速，在获得较高速度 后射入置于真空靶室中的工件表面，以改变 这种材料表面的物理、化学及力学性能的一 种离子束技术。
离子注入装置简图
离子与工件表面原子电子发生以下过程： a电子碰撞； b核碰撞； c离子与工件内原子作电荷交换。
按高能束束流特征分类
按相变类型分类
高能束与金属材料的交互作用
能量传递与转换 高能束与和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-入射到材料表面的高能束能量 E反射-被材料表面反射的能量 E吸收-被材料表面吸收的能量 E透过-高能束透过材料后的能量
金属材料对高能束而言，是束流不能穿透的 材料，因此当高能束粒子照射金属材料时， 其入射能量最终分解为两部分：一部分被金 属表面反射掉，而另一部分则被金属表面所 吸收。当金属表面吸收了外来能量后，将导 致晶格点阵结点原子的激活，进而使光能 （激光束）或电能（电子束或离子束）转换 成热能，并向表层内部进行热传导和热扩散， 以完成表面加热过程。
激光作用下合金的相变特点
相变的热力学条件 与常规淬火相比较，由于激光超快速的 加热速度，使其相变过程的温度间隔显著增大，即相变是在 大的过热度下完成的。 相变完成后奥氏体成分很不均匀 由于激光加热相变完成时 间很短，同时加热 区的温度梯度很大，因而碳化物溶解以及 奥氏体中碳和合金元素扩散再分布的情况，在激光加热区不 同部位之间有很大差异，即奥氏体的成分很不均匀。
离子注入强化机制
固溶强化 位错强化 晶界强化或细晶强化 弥散强化 晶格变换效应 压应力效应 非晶强化
离子注入的改性机理 提高材料表面耐腐蚀性能； 提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度； 提高材料抗氧化性能
离子注入提高材料表面硬度、耐磨性的原因： a固溶强化效应：间隙原子和置换原子的固溶强 化； b弥散强化效应：注入非金属元素形成各种氮化 物、碳化物、硼化物等弥散相； c晶格损伤效应：碰撞产生大量晶格损伤和位错， 以及位错钉扎； d晶粒细化效应：离子轰击导致晶粒细化，阻碍 位错运动； e晶格变换效应：晶体结构转换，形成新材料。
表12-3 各种激光表面改性工艺的特点
激光相变硬化
又叫激光淬火。是在固态下经受激光辐照， 其表层被迅速加热，并在激光停止辐射后快 速自冷却得到马氏体组织的一种工艺方法。
激光相变硬化特点
仅对工件局部表面进行激光淬火，且硬化层可精确控制，因 而它是精密的节能表面改性技术。 激光淬火的硬度高，耐磨性好。 可实现自冷淬火。 极快的加热速度104 ～106℃/s和冷却速度106 ～108℃/s。生 产效率高。 对工件的许多特殊部位可实现激光淬火。 工艺过程易实现电脑控制的生产自动化。
2Cr13钢表面Co-Cr-W涂敷层硬度 分布
电子束表面非晶化
定义：利用聚焦的电子束高能量密度以及作 用时间短的特点，使工件表面在极短的时间 内迅速形成小熔池，并在基体与熔化的表层 间产生很大的温度梯度，使表层的冷却速度 高达104~108℃/s。致使表层几乎保留了熔化 时液态金属的均匀性，经高速冷却，在材料 的表面形成良好的非晶层。
常用激光器
CO2激光器 CO2激光器输出功率大，转换效率高，一般 为15～20%.
氦-氖气体激光器 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。
YAG激光器 目前应用最广泛的一种固体激光器。波长短。 由于激光呈鲜红色，除作其他用途外，也用 在大功率CO2装置上，作为校准激光器。 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。
激光熔凝
激光熔凝：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 使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所 需性质的表面改性技术。
其主要特点有
表面熔化时一般不排除杂质和气体， 同时急冷重结晶获得的组织具有较高的硬度、 耐磨性和抗蚀性。 其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工 件尺寸影响不大。 表面熔层深度远大于激光非晶化。
<1>热作用 激光光子的能量向固体金属的传输的过程就 是固体金属对激光光子的吸收的过程。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。 <2>力作用 当激光束强度远低于熔化门坎值时，由于金 属表面高的温度梯度，在亚表层区会产生严重的不均匀应 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。在冷却时，材料发生收缩。如 果拉应力超过屈服应力，冷至初始温度时就会发生拉伸塑 变。 (3)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。由于这种作用 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。
向工件加入合金粉末的方法有预置涂层法和 同步送粉法，如下图所示：
激光熔覆
激光熔覆：是用激光将按需要配制的合金粉 末熔化，成为熔覆层的主体合金，同时基体 金属有一薄层熔化，与之构成冶金结合的一 种表面处理技术。
激光冲击硬化
激光冲击硬化：激光冲击硬化主要是利用强 激光与材料表面相互作用产生的力学效应— —强应力波来改善材料的性能。激光使材料 表面薄层迅速汽化，产生冲击波。冲击波产 生的压力幅值大约为105大气压，它足以使金 属产生强烈的塑性变形，其结构类似于经爆 炸冲击及快速平面冲击的材料中的亚结构。
高能束加热引起的物质状态变化 图12-1
激光表面改性技术
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：
激光束与材料表面的相互作用
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。
采用激光冲击硬化，可强化焊缝热影响区的 金属，还可以阻止或延缓材料内部裂纹的产 生及扩展。
电子束表面改性
电子束表面改性的原理： 电子束表面改性的原理： 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。能量传递主要是 通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的，所传递的能量立 即以热的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。 与激光加热有所不同，电子束加热时，其入射电子束的动能 大约有75％可以直接转化为热能；而激光束仅有1～8％可被 金属表面直接吸收而转化为热能，其余部分基本上被完全反 射掉了。 目前，电子束加速电压达125kV，输出功率达150kW。能量 密度达103MW/m2。因此，电子束加热的深度和尺寸比激光 大。
离子注入的应用
离子注入在微电子工业中的应用 离子注入在
微电子工业中，是应用最早，最为成功的先进技术， 主要集中在集成电路和微电子加工上。
离子注入在金属材料表面改性中的应用 离子
注入改性应用最多的金属材料是钢铁和钛合金，所 注入的离子主要有：N+、C+、Ti+、Cr+、Ta+、Mo+、 B+、Y+、Ag+等。
高能束表面改性技术
定义：当高能束发生器输出功率密度达到 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， 从而达到表面改性的目的，这种处理方式 称为高能束表面改性。