10第六章第五节 高能束表面处理
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（1）高方向性
激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度， 可以认为光束基本上是平行的。 一般的平行平面型谐振腔的激光发射角 θ 由 下式表示： θ＝2.44λ／d 式中，d为工作物质直径；λ为激光波长。
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（2）高光强性
激光器发射出来的光束非常强，通过聚 焦集中到一个极小的范围之内，可以获 得极高的能量密度或功率密度，聚集后 的功率密度可达1014W／cm2，
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（二）激光的模
激光的模系指激光束在截面上能量分布的形式。
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12
基模光斑呈圆形，能量较集中。 基模与低阶模通常用于激光加工和处理， 如焊接、切割等。 高阶模由于强度分布较均匀，常用于材 料表面均匀加热，可避免局部熔化。
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13
（三）激光的功率密度
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横向流动、快速轴流（纵流） CO2 激光器输出功率大，转换效率高，一 般为15～20%. 材料加工用的商品 CO2 激光器输出功率为 数十瓦至万瓦 (5 ～ 20kw) 之间，脉冲输出 功率为数千瓦至105瓦。 CO2激光器的波长为10.6μm.
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c) CO2激光器
高速运动的电子具有波的性质。 当高速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。 电子与原子核的碰撞可看作为弹性碰撞，因此能 量传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子 碰撞而完成的。 所传递的能量立即以热能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。 这与激光加热有所不同，激光加热时被处理金属 表面吸收光子能量，激光并未穿过金属表面。
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(一) 激光的产生
某些具有亚稳态能级结构的物质受外界能量激发时， 可能使处于亚稳态能级的原子数目大于处于低能级 的原子数目，此物质被称为激活介质，处于粒子数 反转状态。
如果这时用能量恰好与此物质亚稳态和低能态的能 量差相等的一束光照射此物质，则会产生受激辐射， 输出大量频率、位相、传播和振动方向都与外来光 完全一致的光，这种光称为激光。
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2． 激光束的模式
激光束的能量分布和状态由光束的构型 或模式来描述，与光束传输系统相关的 激光构型可以有四种模式： 高斯模（单模）； 多模； 矩型模； 顶模
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3. 焦距选择与焦深
激光热处理多要求淬火带在 2mm 以上， 应选用长焦距的透镜和聚焦反射镜，焦 距一般为2m左右。 在激光热处理中焦深也是一个非常重要 的参数，焦距越大焦深也越大。
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33
扫描速度和方式对硬化带的影响
硬化带深度和宽度都随扫描速度的增加而减小。
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激光相变硬化的特点
1． 加热和冷却速度高 加热速度可达105～109℃/s, 对应的加热 时间为10-3～10-7s； 冷却速率可达104～107℃/s。 扫描速率越快，冷却速率也越快
激光光斑越大，光斑上功率密度越小。
因此，选择透镜的焦距和调节工件表 面离开透镜的位臵对功率密度有重要 影响。
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（四）激光与材料的相互作用
激光与材料的相互作用主要是通过电子激发 实现的。
只有一部分激光被材料所吸收而转化为热能， 另一部分激光则从材料表面反射。不同材料 对不同波长激光的反射率是不同的。
激光透入金属的深度，仅为表面下 10-5cm 的范围。所以激光对金属的加热， 可以看做是一种表面热源，在表面层光 能变为热能，此后热能按一般的传导规 律向金属深处传导。 当激光束强度远低于熔化阈值时，由于 辐照金属表面中高的温度梯度的作用， 在亚表层区会产生严重的不均匀应变。
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2． 高硬度
激光淬火层的硬度比常规淬火层提高 15～20%。
淬火硬度与加热温度有关，与保温时间 无关。 硬化层深度：通常为0.3～0.5mm。
3. 变形小
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表层显微组织
低碳钢分为两层： 外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体； 内层是不完全淬火区，保留有铁素体； 高碳钢分为两层： 外层是隐针马氏体； 内层是隐针马氏体加未溶碳化物。
CO2气体激光器的特点
CO2气体激光器是以 CO2气体为激活媒质，发射的 是中红外波段激光，波长为10.6μm。一般是连续波 （简称CW），但也可以脉冲式地工作。其特点是：
①电 - 光转换功率高，理论值可达 4O ％，一 般为 10 ％－ 20 ％。其他类型的激光器如红宝 石的仅为2％。 ②单位输出功率的投资低。 ③能在工业环境下，长时间连续稳定工作。 ④易于控制，有利于自动化。
根据不同的金属加工要求，选用不同功率的 激光功率密度
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激光相变硬化
激光相变硬化中的几个问题 1．工件的黑化处理 因一般情况下，大部分固体金属都会使波长为 10.6μm （ CO2 ）激光的绝大部分反射，如果进 行黑化处理可使吸收率大幅度提高。 黑化处理主要有：涂碳法、胶体石墨法和磷酸 盐法等； 其中磷酸盐法最好，其吸收率可达 80 ～ 90%， 膜厚仅为5μm，同时具有防锈性。
第五节 高能束表面改性
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1
概 述
激光束、离子束、电子束三束 三束材料表面改性的技术主要包括两个方面： 1 ．利用三束（激光、电子）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。
（ 5 ）电子束是在真空中工作的，以保证在处 理中工件表面不被氧化，但带来许多不便。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
（6）电子束能量的控制比激光束方便 通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制。
（7）电子束辐照与激光辐照的主要区别在于产生最 高温度的位臵和最小熔化层的厚度。 电子束加热时熔化层至少几个微米厚，这会影响 冷却阶段固一液相界面的推进速度。电子束加热时 能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎 同时熔化。电子束加热的液相温度低于激光，因而 温度梯度较小，激光加热温度梯度高且能保持较长 时间。
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2）固体激光器输出比较容易用普通光学 元件传递，在许多应用中方便灵活。 3）固体激光器结构紧凑、牢固耐用、使 用维护方便，价格也略低于气体激光器。
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25
机械系统
（l）光束不动（包括焦点位臵不动）， 零件按要求移动的机械系统； （2）零件不动，光束按要求移动（包括 焦点位臵移动）的机械系统； （3）光束和零件同时按要求移动的机械 系统；
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27
激光束与金属的交互作用
金属对激光波长的吸收因金属而异，一 般为 10μm 左右，在临界波长以上，金 属的反射率非常高，在 90% 以上，在临 界值以下，反射率急剧减小。
金属的表面状态对于反射率极为敏感， 表面越光滑反射率越高。
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焦斑中心温度可达几千度到几万度，只 有电子束的功率密度才能和激光相比拟。
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（3）高单色性
激光具有相同的位相和波长，所以激光 的单色性好。
（4）高相干性
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二、激光表面处理设备
激光表面处理设备包括： 激光器、 功率计、 导光聚焦系统、 工作台、 数控系统、 软件编程系统。
一般情况下，电导率高的金属材料对激光的 反射率高，表面粗糙度小反射率也高。
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激光器
1．气体激光器：以气体或蒸气为工作物 质，包括原子、分子、离子、准分子、 金属原子蒸气等。 a) 氦-氖激光器：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。
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5
激光表面处理的许多效果是与快速加热 和随后的急速冷却分不开的。加热和冷 却速率可达106℃／s－108℃／s。 目前，激光表面处理技术已用于汽车、 冶金、石油、机车、机床、军工、轻工、 农机以及刀具、模具等领域，并正显示 出越来越广泛的工业应用前景。
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6
一、激光的特点
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工业用大功率CO2激光器
l）直管型（纵向流动）激光器
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21
2）横流型CO2激光器。
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22
d)
准分子激光器
准分子激光器的工作粒子是一种在激发 态复合为分子，而在基态离解为原子的 不稳定缔合物。
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23
固体激光器
固体激光器的主要特点是： 1) 固体激光器输出光波波长较短，如红 宝石激光器输出波长为694.3nm; Nd3+： YAG及Nd3+玻璃激光器的波长为 1.06μm， 比CO2激光器低一个数量级。 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。
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它在可见和红外区有许多激光谱线，最 重要的是0.6328μm, 1.15μm和3.39μm三 条谱线。 在激光加工设备中，常作红外激光器与 导光系统的调整装臵。
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17
b)
氩离子激光器
氩离子激光器是目前可见光区连续功率 最高的相干光光源。 其最高连续功率已达成150W，效率最高 达0.6%,使用寿命超过1000h,频率稳定度 为2×10-5，常用于微加工中。
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中碳钢分为四层：
外层是白亮的隐针马氏体；硬度达 HV800，比一般淬火硬度高100以上； 第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬 度稍低； 第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再 加少量铁素体； 第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。
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铸铁可分为三层：
表层是熔化＋凝固所得的树枝状结晶， 此区随扫描速度的增大而减小；
2015-1-17 43
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。
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44
一、电子束表面处理主要特点
(1) 加热和冷却速度快。 将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或 熔化温度仅几分之一到千分之一秒，其冷却速度 可达l06℃／s～l08℃／s；
2015-1-17 3
高能束流技术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了， 成分的改变包括：表面合金化和熔覆； 结构的改变包括：组织和相的改变 利用高能束的表面合金化的重要特点是 可以获得结构上的亚稳组织，往往具有 抗蚀能力及较高的机械强度。
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4
激光表面处理
激光表面处理的目的： 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：
第二层是隐针马氏体加少量残余的石墨 及磷共晶组织； 第三层是较低温度下形成的马氏体。
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激光处理工艺及应用
1．激光表面强化 2．激光表面涂敷 3．激光表面非晶态处理 4．激光表面合金化 5．激光气相沉积
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42
电子束表面处理
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三束加热特点：
1．三束直接加热的材料表层一般深度在几微米； 2 ．加热表面功率密度相当大，电子束、离子束的 脉冲宽度为10-9s，激光的脉冲宽度可短至10-12s; 3．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. 4 ．表面产生大量缺陷，特别是离子束，除加热材 料表面外，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。
（2）与激光相比使用成本低。 电子束处理设备一次性投资比激光少（约为激 光的1／3；电子束实际使用成本也只有激光处理 的一半；
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（3）结构简单。 电子束靠磁偏转动、扫描，而不需要工件转 动、移动和光传输机构；
（4）电子束与金属表面偶合性好。 电子束所射表面的角度除3°－4°特小角度 外，电子束与表面的偶合不受反射的影响，能 量利用率远高于激光。因此电子束处理工件前， 工件表面不需加吸收涂层；
激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度， 可以认为光束基本上是平行的。 一般的平行平面型谐振腔的激光发射角 θ 由 下式表示： θ＝2.44λ／d 式中，d为工作物质直径；λ为激光波长。
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（2）高光强性
激光器发射出来的光束非常强，通过聚 焦集中到一个极小的范围之内，可以获 得极高的能量密度或功率密度，聚集后 的功率密度可达1014W／cm2，
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（二）激光的模
激光的模系指激光束在截面上能量分布的形式。
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基模光斑呈圆形，能量较集中。 基模与低阶模通常用于激光加工和处理， 如焊接、切割等。 高阶模由于强度分布较均匀，常用于材 料表面均匀加热，可避免局部熔化。
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（三）激光的功率密度
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18
横向流动、快速轴流（纵流） CO2 激光器输出功率大，转换效率高，一 般为15～20%. 材料加工用的商品 CO2 激光器输出功率为 数十瓦至万瓦 (5 ～ 20kw) 之间，脉冲输出 功率为数千瓦至105瓦。 CO2激光器的波长为10.6μm.
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c) CO2激光器
高速运动的电子具有波的性质。 当高速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。 电子与原子核的碰撞可看作为弹性碰撞，因此能 量传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子 碰撞而完成的。 所传递的能量立即以热能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。 这与激光加热有所不同，激光加热时被处理金属 表面吸收光子能量，激光并未穿过金属表面。
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(一) 激光的产生
某些具有亚稳态能级结构的物质受外界能量激发时， 可能使处于亚稳态能级的原子数目大于处于低能级 的原子数目，此物质被称为激活介质，处于粒子数 反转状态。
如果这时用能量恰好与此物质亚稳态和低能态的能 量差相等的一束光照射此物质，则会产生受激辐射， 输出大量频率、位相、传播和振动方向都与外来光 完全一致的光，这种光称为激光。
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2． 激光束的模式
激光束的能量分布和状态由光束的构型 或模式来描述，与光束传输系统相关的 激光构型可以有四种模式： 高斯模（单模）； 多模； 矩型模； 顶模
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3. 焦距选择与焦深
激光热处理多要求淬火带在 2mm 以上， 应选用长焦距的透镜和聚焦反射镜，焦 距一般为2m左右。 在激光热处理中焦深也是一个非常重要 的参数，焦距越大焦深也越大。
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扫描速度和方式对硬化带的影响
硬化带深度和宽度都随扫描速度的增加而减小。
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激光相变硬化的特点
1． 加热和冷却速度高 加热速度可达105～109℃/s, 对应的加热 时间为10-3～10-7s； 冷却速率可达104～107℃/s。 扫描速率越快，冷却速率也越快
激光光斑越大，光斑上功率密度越小。
因此，选择透镜的焦距和调节工件表 面离开透镜的位臵对功率密度有重要 影响。
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（四）激光与材料的相互作用
激光与材料的相互作用主要是通过电子激发 实现的。
只有一部分激光被材料所吸收而转化为热能， 另一部分激光则从材料表面反射。不同材料 对不同波长激光的反射率是不同的。
激光透入金属的深度，仅为表面下 10-5cm 的范围。所以激光对金属的加热， 可以看做是一种表面热源，在表面层光 能变为热能，此后热能按一般的传导规 律向金属深处传导。 当激光束强度远低于熔化阈值时，由于 辐照金属表面中高的温度梯度的作用， 在亚表层区会产生严重的不均匀应变。
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2． 高硬度
激光淬火层的硬度比常规淬火层提高 15～20%。
淬火硬度与加热温度有关，与保温时间 无关。 硬化层深度：通常为0.3～0.5mm。
3. 变形小
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表层显微组织
低碳钢分为两层： 外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体； 内层是不完全淬火区，保留有铁素体； 高碳钢分为两层： 外层是隐针马氏体； 内层是隐针马氏体加未溶碳化物。
CO2气体激光器的特点
CO2气体激光器是以 CO2气体为激活媒质，发射的 是中红外波段激光，波长为10.6μm。一般是连续波 （简称CW），但也可以脉冲式地工作。其特点是：
①电 - 光转换功率高，理论值可达 4O ％，一 般为 10 ％－ 20 ％。其他类型的激光器如红宝 石的仅为2％。 ②单位输出功率的投资低。 ③能在工业环境下，长时间连续稳定工作。 ④易于控制，有利于自动化。
根据不同的金属加工要求，选用不同功率的 激光功率密度
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激光相变硬化
激光相变硬化中的几个问题 1．工件的黑化处理 因一般情况下，大部分固体金属都会使波长为 10.6μm （ CO2 ）激光的绝大部分反射，如果进 行黑化处理可使吸收率大幅度提高。 黑化处理主要有：涂碳法、胶体石墨法和磷酸 盐法等； 其中磷酸盐法最好，其吸收率可达 80 ～ 90%， 膜厚仅为5μm，同时具有防锈性。
第五节 高能束表面改性
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概 述
激光束、离子束、电子束三束 三束材料表面改性的技术主要包括两个方面： 1 ．利用三束（激光、电子）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。
（ 5 ）电子束是在真空中工作的，以保证在处 理中工件表面不被氧化，但带来许多不便。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
（6）电子束能量的控制比激光束方便 通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制。
（7）电子束辐照与激光辐照的主要区别在于产生最 高温度的位臵和最小熔化层的厚度。 电子束加热时熔化层至少几个微米厚，这会影响 冷却阶段固一液相界面的推进速度。电子束加热时 能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎 同时熔化。电子束加热的液相温度低于激光，因而 温度梯度较小，激光加热温度梯度高且能保持较长 时间。
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2）固体激光器输出比较容易用普通光学 元件传递，在许多应用中方便灵活。 3）固体激光器结构紧凑、牢固耐用、使 用维护方便，价格也略低于气体激光器。
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机械系统
（l）光束不动（包括焦点位臵不动）， 零件按要求移动的机械系统； （2）零件不动，光束按要求移动（包括 焦点位臵移动）的机械系统； （3）光束和零件同时按要求移动的机械 系统；
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激光束与金属的交互作用
金属对激光波长的吸收因金属而异，一 般为 10μm 左右，在临界波长以上，金 属的反射率非常高，在 90% 以上，在临 界值以下，反射率急剧减小。
金属的表面状态对于反射率极为敏感， 表面越光滑反射率越高。
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焦斑中心温度可达几千度到几万度，只 有电子束的功率密度才能和激光相比拟。
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（3）高单色性
激光具有相同的位相和波长，所以激光 的单色性好。
（4）高相干性
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二、激光表面处理设备
激光表面处理设备包括： 激光器、 功率计、 导光聚焦系统、 工作台、 数控系统、 软件编程系统。
一般情况下，电导率高的金属材料对激光的 反射率高，表面粗糙度小反射率也高。
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激光器
1．气体激光器：以气体或蒸气为工作物 质，包括原子、分子、离子、准分子、 金属原子蒸气等。 a) 氦-氖激光器：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。
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激光表面处理的许多效果是与快速加热 和随后的急速冷却分不开的。加热和冷 却速率可达106℃／s－108℃／s。 目前，激光表面处理技术已用于汽车、 冶金、石油、机车、机床、军工、轻工、 农机以及刀具、模具等领域，并正显示 出越来越广泛的工业应用前景。
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一、激光的特点
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工业用大功率CO2激光器
l）直管型（纵向流动）激光器
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2）横流型CO2激光器。
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d)
准分子激光器
准分子激光器的工作粒子是一种在激发 态复合为分子，而在基态离解为原子的 不稳定缔合物。
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固体激光器
固体激光器的主要特点是： 1) 固体激光器输出光波波长较短，如红 宝石激光器输出波长为694.3nm; Nd3+： YAG及Nd3+玻璃激光器的波长为 1.06μm， 比CO2激光器低一个数量级。 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。
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它在可见和红外区有许多激光谱线，最 重要的是0.6328μm, 1.15μm和3.39μm三 条谱线。 在激光加工设备中，常作红外激光器与 导光系统的调整装臵。
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b)
氩离子激光器
氩离子激光器是目前可见光区连续功率 最高的相干光光源。 其最高连续功率已达成150W，效率最高 达0.6%,使用寿命超过1000h,频率稳定度 为2×10-5，常用于微加工中。
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中碳钢分为四层：
外层是白亮的隐针马氏体；硬度达 HV800，比一般淬火硬度高100以上； 第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬 度稍低； 第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再 加少量铁素体； 第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。
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铸铁可分为三层：
表层是熔化＋凝固所得的树枝状结晶， 此区随扫描速度的增大而减小；
2015-1-17 43
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。
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一、电子束表面处理主要特点
(1) 加热和冷却速度快。 将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或 熔化温度仅几分之一到千分之一秒，其冷却速度 可达l06℃／s～l08℃／s；
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高能束流技术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了， 成分的改变包括：表面合金化和熔覆； 结构的改变包括：组织和相的改变 利用高能束的表面合金化的重要特点是 可以获得结构上的亚稳组织，往往具有 抗蚀能力及较高的机械强度。
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激光表面处理
激光表面处理的目的： 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：
第二层是隐针马氏体加少量残余的石墨 及磷共晶组织； 第三层是较低温度下形成的马氏体。
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激光处理工艺及应用
1．激光表面强化 2．激光表面涂敷 3．激光表面非晶态处理 4．激光表面合金化 5．激光气相沉积
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电子束表面处理
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三束加热特点：
1．三束直接加热的材料表层一般深度在几微米； 2 ．加热表面功率密度相当大，电子束、离子束的 脉冲宽度为10-9s，激光的脉冲宽度可短至10-12s; 3．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. 4 ．表面产生大量缺陷，特别是离子束，除加热材 料表面外，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。
（2）与激光相比使用成本低。 电子束处理设备一次性投资比激光少（约为激 光的1／3；电子束实际使用成本也只有激光处理 的一半；
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（3）结构简单。 电子束靠磁偏转动、扫描，而不需要工件转 动、移动和光传输机构；
（4）电子束与金属表面偶合性好。 电子束所射表面的角度除3°－4°特小角度 外，电子束与表面的偶合不受反射的影响，能 量利用率远高于激光。因此电子束处理工件前， 工件表面不需加吸收涂层；