高能束表面改性技术

激光非晶化
激光非晶化:是利用激光快速加热和快速冷却 的特点加热材料表面使其熔化，并以大于一 定临界冷却速度急冷至低于某一特征温度， 以抑制晶体形核和生长，从而获得非晶材料 的技术。
激光非晶化原理
其原理是基于被激光加热的金属表面熔化后， 以大于临界冷却速度急冷，来抑制晶体的成 核和生长，从而在金属表面获得非晶态结构。 与急冷法制得的非晶态合金相比，激光法制 取的非晶态合金优点：冷却速度高；激光非 晶态处理还可减少表层成分偏析，消除表层 的缺陷和可能存在的裂纹。
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。
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
表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝 层和材料基体是天然的冶金结合。 在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体， 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。
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。
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。
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。
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。
特点：（1）高能束热源作用在材料表面上的功率 密度高、作用时间极其短暂，即加热速度快、冷 却速度亦快，处理效率高。 （2）高能束表面改性是靠束流作用在金属表面， 对金属进行加热，属非接触式加热，没有机械应 力作用。 （3）高能束表面改性具有许多独特的优点：如离 子注入，不像热扩散那样，将受到化学结合力、 扩散系数和相平衡规律的限制。 （4）由于高能束作用面积小，金属本身的热容量 足以使被处理的表面骤冷，保证完成马氏体的转 变；而且急冷可抑制碳化物的析出，从而减少脆 性相的影响，并能获得隐晶马氏体组织。
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
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。
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。
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。
<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。
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；
离子注入的缺点： 离子注入的缺点： a对金属离子的注入还受到较大的局限； b注入层薄； c一些特殊物理问题需要解决，如溅射、升温、 腐蚀等； d设备造价高。
离子注入机的种类 按能量大小分：低能注入机、中能注入机、 高能注入机； 按束流强度大小分：低束流、中束流、强束 流； 按束流状态分：稳流注入机和脉冲注入机； 按类型分：质量分析注入机、工业用氮注入 机、等离子源离子注入机。
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。
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Hale Waihona Puke Baidu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。
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。
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。
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。
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。
电子束表面合金化
定义：预先将具有特殊性能的合金粉末涂敷 在基体金属表面，再用电子束轰击加热，使 特殊的合金粉末熔融在基体材料的表面上， 从而在工件表面形成一层具有耐磨、耐蚀、 耐热等性能的新合金表面层。
电子束熔覆
定义：按需要在基体材料表面预先涂敷一层 特殊性能的合金粉，并用电子束加热将其熔 化，在基体表面形成具有某些特性的覆层。