高能束表面改性技术
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表面改性技术-表面热处理
表面热处理通过提高材料表面的 硬度，有效降低摩擦系数，从而
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。
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。
《高能束加工》课件
高能束表面改性
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
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。
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。
*
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
*
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。
01
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。
02
*
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。
*
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。
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。
01
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。
02
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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。
热处理新技术简介
9
（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。
8
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 。
5
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。
（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。
8
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 。
5
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。
高能束表面改性技术
化。
03
材料适应性有限
不同材料对高能束表面改性的响应不同，部分材料可能难以实现理想的
改性效果。解决方案包括研究不同材料的改性机理，开发针对性的高能
束表面改性技术。
发展前景展望
拓展应用领域
随着高能束表面改性技 术的不断发展和完善， 其在航空航天、汽车制 造、模具修复等领域的 应用将不断拓展。
绿色环保方向
原理。
操作前需对设备进行全面检 查，确保各系统正常运行。
02
01
03
严格遵守设备操作规程，避 免误操作导致设备损坏或人
身伤害。
注意观察改性过程中材料的 变化，及时调整工艺参数以
获得最佳效果。
04
05
操作结束后需对设备进行清 理和维护，确保设备的长期
稳定运行。
04 高能束表面改性技术应用 领域
航空航天领域应用
典型案例分析
案例一
激光表面合金化提高材料耐磨性。通过激光束将合金元素与基体材料表面快速熔合，形成 具有优异耐磨性能的合金层。
案例二
电子束表面非晶化改善材料耐腐蚀性。利用电子束的高能量密度，将材料表面瞬间加热至 熔点以上，然后快速冷却，形成非晶态结构，提高材料的耐腐蚀性。
案例三
离子束辅助沉积制备功能薄膜。在离子束的辅助下，将所需的功能材料沉积在基体材料表 面，形成具有特定功能的薄膜，如光学薄膜、电磁屏蔽薄膜等。
面临挑战及解决方案
01
设备成本高
高能束表面改性设备通常价格昂贵，限制了其在一些领域的应用。解决
方案包括研发更经济、高效的高能束源，以及优化设备结构降低制造成
本。
02
工艺稳定性差
高能束表面改性过程中，工艺参数的微小变化可能导致改性效果的显著
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。
离子束表面改性技术
加强基础理论研究和模拟计算
通过建立和完善离子束表面改性的基础理论，结合模拟计算，为改性 技术的优化提供理论支持。
对实际应用的建议
推广离子束表面改性技术在航空航天领域的应用
由于航空航天领域对材料性能要求极高，离子束表面改性技术有望提 高材料的耐腐蚀、耐磨和抗疲劳性能。
促进在能源和环境领域的应用
利用离子束表面改性技术改善能源材料（如电池电极材料）和环保材 料（如光催化材料）的性能，提高能源利用效率和环保效果。
局限性
设备成本高
离子束表面改性设备昂贵，运行和维护成本 较高。
对操作人员技能要求高
离子束处理需要专业的操作人员，对技能和 经验的要求较高。
处理效率低
相对于传统表面处理技术，离子束处理的效 率较低，处理时间较长。
对环境条件敏感
离子束处理过程中，环境因素如温度、湿度 等可能对处理效果产生影响。
未来发展方向
拓展在医疗器械和生物材料领域的应用
通过离子束表面改性技术改善医疗器械和生物材料的生物相容性和功 能，推动医疗科技的发展。
加强技术标准和规范制定
为了推动离子束表面改性技术的广泛应用，需要制定和完善相关技术 标准和规范，确保技术的可靠性和安全性。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
深入研究离子束与材料表面的相互作用机制
离子束表面改性技术的核心在于离子束与材料表面的相互作用，进一 步研究这一机制有助于优化改性效果。
发展新型离子源和加速器技术
提高离子束的能量、束流密度和稳定性，以实现更高效、更广泛的表 面改性应用。
探索与其他表面技术的结合
将离子束表面改性技术与物理气相沉积、化学气相沉积等其他表面技 术结合，以获得更优异的表面性能。
通过建立和完善离子束表面改性的基础理论，结合模拟计算，为改性 技术的优化提供理论支持。
对实际应用的建议
推广离子束表面改性技术在航空航天领域的应用
由于航空航天领域对材料性能要求极高，离子束表面改性技术有望提 高材料的耐腐蚀、耐磨和抗疲劳性能。
促进在能源和环境领域的应用
利用离子束表面改性技术改善能源材料（如电池电极材料）和环保材 料（如光催化材料）的性能，提高能源利用效率和环保效果。
局限性
设备成本高
离子束表面改性设备昂贵，运行和维护成本 较高。
对操作人员技能要求高
离子束处理需要专业的操作人员，对技能和 经验的要求较高。
处理效率低
相对于传统表面处理技术，离子束处理的效 率较低，处理时间较长。
对环境条件敏感
离子束处理过程中，环境因素如温度、湿度 等可能对处理效果产生影响。
未来发展方向
拓展在医疗器械和生物材料领域的应用
通过离子束表面改性技术改善医疗器械和生物材料的生物相容性和功 能，推动医疗科技的发展。
加强技术标准和规范制定
为了推动离子束表面改性技术的广泛应用，需要制定和完善相关技术 标准和规范，确保技术的可靠性和安全性。
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深入研究离子束与材料表面的相互作用机制
离子束表面改性技术的核心在于离子束与材料表面的相互作用，进一 步研究这一机制有助于优化改性效果。
发展新型离子源和加速器技术
提高离子束的能量、束流密度和稳定性，以实现更高效、更广泛的表 面改性应用。
探索与其他表面技术的结合
将离子束表面改性技术与物理气相沉积、化学气相沉积等其他表面技 术结合，以获得更优异的表面性能。
金属冶炼中的材料表面改性与涂覆
总结词
表面改性与涂覆技术能够赋予金属材料丰富的色彩和外观效果，提高其装饰性。
详细描述
金属材料通常具有单调的外观，难以满足多样化的装饰需求。通过表面涂覆技术，可以在金属表面形 成各种颜色、纹理和图案，使其具有更加美观的外观，广泛应用于建筑、家具、汽车等领域。
提高金属材料的导电性
总结词
在某些情况下，通过表面改性与涂覆技术可以提高金属材料的导电性。
详细描述
电镀技术广泛应用于金属表面处理， 通过选择不同的金属或合金作为电镀 层，可以显著提高金属表面的硬度、 耐磨性、耐腐蚀性和装饰性。
化学镀技术
总结词
化学镀技术是一种利用化学反应在金属表面沉积金属或合金 的过程，具有无需通电、沉积均匀、适用范围广等优点。
详细描述
化学镀技术适用于各种金属材料，如钢铁、铜、铝等，通过 选择适当的化学镀液和反应条件，可以在金属表面形成具有 优异性能的涂层。
金属材料的再生利用，实现可持续发展。
智能化
要点一
总结词
随着智能化技术的不断发展，金属材料表面改性与涂覆的 智能化成为新的发展趋势。
要点二
详细描述
通过引入智能化技术，实现金属材料表面改性与涂覆的自 动化、精细化、快速化和个性化，提高生产效率和产品质 量，同时为新型金属材料的应用提供技术支持。
05 金属材料表面改 性与涂覆的挑战 与对策
详细描述
某些涂层材料具有较好的导电性，当涂覆在金属表面时，可以形成导电通道，提高材料的导电性能。这种技术在 微电子、集成电路等领域具有重要应用，可以实现金属材料的导电性能优化和电磁屏蔽。
04 金属材料表面改 性与涂覆的发展 趋势
高性能化
总结词
随着科技的不断进步，对金属材料性能的要 求也越来越高，金属材料表面改性与涂覆的 高性能化成为重要的发展趋势。
表面改性与涂覆技术能够赋予金属材料丰富的色彩和外观效果，提高其装饰性。
详细描述
金属材料通常具有单调的外观，难以满足多样化的装饰需求。通过表面涂覆技术，可以在金属表面形 成各种颜色、纹理和图案，使其具有更加美观的外观，广泛应用于建筑、家具、汽车等领域。
提高金属材料的导电性
总结词
在某些情况下，通过表面改性与涂覆技术可以提高金属材料的导电性。
详细描述
电镀技术广泛应用于金属表面处理， 通过选择不同的金属或合金作为电镀 层，可以显著提高金属表面的硬度、 耐磨性、耐腐蚀性和装饰性。
化学镀技术
总结词
化学镀技术是一种利用化学反应在金属表面沉积金属或合金 的过程，具有无需通电、沉积均匀、适用范围广等优点。
详细描述
化学镀技术适用于各种金属材料，如钢铁、铜、铝等，通过 选择适当的化学镀液和反应条件，可以在金属表面形成具有 优异性能的涂层。
金属材料的再生利用，实现可持续发展。
智能化
要点一
总结词
随着智能化技术的不断发展，金属材料表面改性与涂覆的 智能化成为新的发展趋势。
要点二
详细描述
通过引入智能化技术，实现金属材料表面改性与涂覆的自 动化、精细化、快速化和个性化，提高生产效率和产品质 量，同时为新型金属材料的应用提供技术支持。
05 金属材料表面改 性与涂覆的挑战 与对策
详细描述
某些涂层材料具有较好的导电性，当涂覆在金属表面时，可以形成导电通道，提高材料的导电性能。这种技术在 微电子、集成电路等领域具有重要应用，可以实现金属材料的导电性能优化和电磁屏蔽。
04 金属材料表面改 性与涂覆的发展 趋势
高性能化
总结词
随着科技的不断进步，对金属材料性能的要 求也越来越高，金属材料表面改性与涂覆的 高性能化成为重要的发展趋势。
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
2020/11/6
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
2020/11/6
②改变基材表面成分
2020/11/6
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。
2020/11/6
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) 。
2020/11/6
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。
第八章 表面改性技术
第八章表面改性技术1：表面改性：是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其机体材料的组成结构性能不同的一种技术。
2：表面形变强化原理：通过机械手段（滚压、内挤压、喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5~1.5mm。
3：形变硬化层中产生的两种变化：组织结构上，亚晶粒极大地细化；形成了高的宏观残余压应力。
4：感应加热的物理过程：当感应线圈通以交流电后，感应线圈内即形成交流磁场，置于感应线圈内的被加热零件引起感应电动势，所以在零件内将产生闭合感应电流即涡流。
5：硬化层深度：由于工件内部传热能力较大，硬化层深度总小于感应电流投入深度，频率越高，涡流分布越陡，接近电流透入深度处的电流越小。
6：淬火后的组织和性能：感应加热表面淬火获得的表面组织是细小隐晶马氏体，碳化物呈弥散分布。
表面硬度比普通淬火时高2~3HRC。
提高疲劳强度，感应加热表面淬火工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳定。
7：选择功率密度要根据零件尺寸及淬火条件而定。
8：金属表面化学热处理过程：活性原子被工件表面吸附并溶入表面，溶入表面的原子向金属表面层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变工件表层的成分、组织和性能。
渗层与基体之间冶金结合，渗层不容易脱落，可承受高载荷，高冲击。
9：气体渗碳：气体渗碳是目前生产中应用最广的一种渗碳方法，工业上一般有井式炉滴注式渗透和贯通式气体渗碳两种，它是在含碳的气体介质中通过调节气体渗碳气氛来实现渗碳的目的，按渗碳介质气氛中的基本渗剂可分为甲烷、丙烷和丁烷。
10：一般气体渗碳多用930℃的高温处理，C在高温中才能发生显著的扩散。
11：渗碳层的性能指标：表面硬度；渗层深度；心部硬度。
12：渗金属：渗金属方法是使工件表面形成一层金属碳化物的一种工艺方法，即渗入元素与工件表层中的碳结构形成金属碳化物的化合物层，此类工艺方法适用于高碳钢。
13：渗金属形成的化合物层一般很薄，约0.005~0.02mm。
材料的表面改性技术
精确控制
激光参数（如功率、扫描速度等）可精确控制， 实现不同深度和宽度的表面改性。
离子束表面改性
01
02
03
离子注入
利用离子束将特定元素注 入材料表面，改变其化学 组成和物理性能。
剂量和能量可控
通过调整离子束的剂量和 能量，可实现不同深度和 分布的表面改性。
适用范围广
离子束表面改性适用于多 种材料，包括金属、陶瓷 和聚合物等。
污水处理
利用表面改性技术，可 以开发高效、低成本的 污水处理材料，提高污 水处理的效率和质量， 保护水资源和环境。
表面改性技术的发展趋势和前景
绿色环保
随着环保意识的提高，未来 表面改性技术的发展将更加 注重环保和可持续性，推动 绿色制造和清洁生产。
多功能化
表面改性技术将向多功能化 方向发展，实现材料表面的 多种功能集成，满足复杂应 用场景的需求。
03
高级阶段
近年来，随着纳米技术和生物技术的飞速发展，表面改性技术不断取得
新的突破，如纳米涂层、生物仿生等技术的出现，为材料表面改性提供
了更多的可能性和选择。
03
物理表面改性技术
激光表面改性
高能量密度
激光束能量密度高，可在材料表面产生瞬间高温， 实现局部快速加热和冷却。
无接触加工
激光加工为非接触式，可避免对材料表面的机械 损伤和污染。
镀层厚度控制
通过调整反应条件，如温度、浓度和时间，可精确控制镀层厚度。
镀层均匀性
化学镀层技术可实现复杂形状工件表面的均匀镀层。
化学气相沉积技术
气相反应
在气态环境中，通过化学反应在材料表面沉积固态物质。
沉积温度
化学气相沉积通常在较高温度下进行，以获得良好的沉积效果。
激光参数（如功率、扫描速度等）可精确控制， 实现不同深度和宽度的表面改性。
离子束表面改性
01
02
03
离子注入
利用离子束将特定元素注 入材料表面，改变其化学 组成和物理性能。
剂量和能量可控
通过调整离子束的剂量和 能量，可实现不同深度和 分布的表面改性。
适用范围广
离子束表面改性适用于多 种材料，包括金属、陶瓷 和聚合物等。
污水处理
利用表面改性技术，可 以开发高效、低成本的 污水处理材料，提高污 水处理的效率和质量， 保护水资源和环境。
表面改性技术的发展趋势和前景
绿色环保
随着环保意识的提高，未来 表面改性技术的发展将更加 注重环保和可持续性，推动 绿色制造和清洁生产。
多功能化
表面改性技术将向多功能化 方向发展，实现材料表面的 多种功能集成，满足复杂应 用场景的需求。
03
高级阶段
近年来，随着纳米技术和生物技术的飞速发展，表面改性技术不断取得
新的突破，如纳米涂层、生物仿生等技术的出现，为材料表面改性提供
了更多的可能性和选择。
03
物理表面改性技术
激光表面改性
高能量密度
激光束能量密度高，可在材料表面产生瞬间高温， 实现局部快速加热和冷却。
无接触加工
激光加工为非接触式，可避免对材料表面的机械 损伤和污染。
镀层厚度控制
通过调整反应条件，如温度、浓度和时间，可精确控制镀层厚度。
镀层均匀性
化学镀层技术可实现复杂形状工件表面的均匀镀层。
化学气相沉积技术
气相反应
在气态环境中，通过化学反应在材料表面沉积固态物质。
沉积温度
化学气相沉积通常在较高温度下进行，以获得良好的沉积效果。
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9.3 电子束表面改性
电子束改性的方法 ✓ 电子束淬火 ✓ 电子束表面合金化 ✓ 电子束覆层 ✓ 制造非晶态层
9.3 电子束表面改性
电子束改性的特点 ➢ 能量利用率非常高； ➢ 能量透入深度大； ➢ 在真空条件下进行； ➢ 对焦方便； ➢ 可通过电流任意控制束流偏转； ➢ 设备运转成本高。
思考题
激光冲击硬化 在表面原子逸出期间产生动量脉冲而形成的
冲击波或应力波作用于金属表面使表层材料显微 组织中的位错密度增加，形成类似于受到爆炸冲 击或高能快速平面冲击后产生的亚结构，从而提 高合金的强度、硬度和疲劳极限。
9.2 离子束表面改性
离子注入基本原理 在离子注入机中
把各种所需的离子加 速成具有几万甚至百 万电子伏特能量的载 能束，并注入金属固 体材料的表面层。
激光作用下的合金中的相变 <1>相变的热力学条件：相变的热力学条件
是指相变过程必须在相平衡温度以上的温 度范围内完成。 <2>成分特点：相变完成后奥氏体成分很不 均匀。 <3>组织特性：奥氏体晶粒小而不均匀，易 得到隐针或细针马氏体组织。
9.1 激光表面改性技术 ——激光束表面相变硬化
GCr15钢激光淬火硬化层不同部位化学成分
激光表面合金化示意图
9.1 激光表面改性技术 ——激光合金化
激光合金化的工艺形式 ➢ 预置法 ➢ 硬质粒子喷射法 ➢ 气相合金化法
9.1 激光表面改性技术 ——激光合金化
激光合金化的优点
✓ 使难以接近的和局部的区域合金化；
✓ 在快速处理中能有效地利用能量；
✓ 利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀 的合金化深度；
激光熔覆：用激光在基体表面熔覆一层薄 的具有特定性能的材料，要求基体对表层 合金的稀释度为最小。
✓ 预涂覆－激光熔覆法 ✓ 同步送粉法
9.1 激光表面改性技术 ——激光熔覆
➢预涂覆－激光熔覆法：先把熔覆合金通过粘结， 喷涂，电镀，预置丝材或板材等方法预置在将熔 覆材料表面上，而后用激光束将其熔覆。
9.1 激光表面改性技术
金属对激光的吸收 ➢ 激光的波长越短，吸收率越高； ➢ 温度升高，吸收率增大； ➢ 电导率越高，吸收率越低； ➢ 表面粗糙度愈大，其吸收率愈大。
9.1 激光表面改性技术
激光束与金属作用的类型 ✓ 热作用 ✓ 力作用 ✓ 光作用
9.1 激光表面改性技术
激光束表面相变硬化
9.1 激光表面改性技术 ——激光束表面相变硬化
激光束表面相变硬化处理前工件表面的预 处理：黑化处理——使吸收率大幅提高。
常用的黑化处理方法：磷化法、碳素法和 涂覆红外能量吸收材料。
9.1 激光表面改性技术 ——激光束表面相变硬化
表10-1 激光束相变硬化实例
9.1 激光表面改性技术 ——激光熔覆
图9-1 离子注入装置简图
9.2 离子束表面改性
离子注入表面改性的一般机理 ➢ 损伤强化作用 ➢ 弥散强化作用 ➢ 喷丸强化作用 ➢ 提高抗氧化性 ➢ 提高润滑性 ➢ 提高耐腐蚀性
9.2 离子束表面改性
离子注入的特点 ✓ 周期表上的任何元素，都可注入任何基体材料； ✓ 可得到用其它方法得不到的新合金相； ✓ 离子注入层与基体结合牢固； ✓ 易于精确控制注入离子的浓度分布 ； ✓ 工件表面无形变、无氧化； ✓ 可有选择地改变基体材料的表面能量，并在表面
✓ 能准确地控制功率密度和控制加热深度，从而减小 变形；
✓ 可以节约大量的具有战略价值或贵重的元素，形成 具有特殊性能的非平衡相、晶粒细化，提高合金元 素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析。
9.1 激光表面改性技术
激光表面非晶化原理 利用能量密度数量级高达106W／cm2的CO2
激光器连续激光束，以极快的速度(如1～10m／s) 扫描，在金属表面形成过热度很高的薄层熔体。 同时，在热量尚未传给冷基体的条件下，熔体与 相邻冷基体之间保持了很大的温度梯度，从而实 现了熔体的超快速冷却，使熔体过冷至其晶化温 度以下，防止晶体成核和生长，从而在金属表面 形成非晶。
9.1 激光表面改性技术
激光熔凝 也称激光熔化淬火，用激光束将获得工
件表面加热熔化到一定深度，然后自冷使 熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所 需性能的表面改性技术。
9.1 激光表面改性技术
激光诱导化学反应沉积技术 ✓ 激光诱导化学气相沉积技术 ✓ 激光诱导液相反应沉积技术 ✓ 激光诱导固相反应技术
以高能密度的激光束快速照射工件，使其需要 硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化成热能，而使 激光作用区的温度急剧上升，形成奥氏体。此时工 件基体仍处于冷态并与加热区之间有极高的温度梯 度。因此，一旦停止激光照射，加热区因急冷而实 现工件的自淬火，故又叫做激光淬火。
9.1 激光表面改性技术 ——激光束表面相变硬化
9.1 激光表面改性技术
激光诱导化学气相沉积技术
9.1 激光表面改性技术
激光清洗技术 用功率密度很高（108~1011w/cm2）的激光束，
在极短的脉冲持续时间内（10-9~10-3s）照射金属 表面使表面的污物、颗粒、锈斑或者涂层等附着 物很快气化，从而达到洁净化的工艺过程。9.1 来自光表面改性技术激光清洗
激光组织细化
图9-1 激光表面改性技术的分类
9.1 激光表面改性技术
激光表面改性的特点
✓ 功率密度大，加热速度快，基体自冷速度高； ✓ 工件热变形很小； ✓ 可以局部加热； ✓ 可以实现在线加工和自动化操作。
9.1 激光表面改性技术
激光束与材料表面的相互作用 ✓ 激光照射到材料表面； ✓ 激光被材料吸收变为热能； ✓ 表层材料受热升温； ✓ 发生固态转变、熔化甚至蒸发； ✓ 材料在激光作用后冷却。
内形成压应力。
9.2 离子束表面改性
轰击扩散镀层（BDC） 离子束混和（IBM）技术 等离子体浸没离子注入（PIII）
9.3 电子束表面改性
电子束表面改性原理 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，从而使被处 理金属的表层温度迅速升高。
➢同步送粉法：在激光束照射基体材料表面产生熔 池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光 熔池内实现熔覆。
9.1 激光表面改性技术 ——激光熔覆
激光熔覆的优点： ✓ 冶金结合； ✓ 加热速度很快； ✓ 热变形较小； ✓ 适用于面积较小的局部处理。
9.1 激光表面改性技术
激光合金化：利用激 光束将一种或多种合 金元素快速熔入基体 表面，从而使基体表 层具有特定的合金成 分的技术。
第9章 高能束表面改性技术
9.1 激光表面改性技术 9.2 离子束表面改性 9.3 电子束表面改性
9.1 激光表面改性技术
激光表面改性
不改变基材表面成分
改变基材表面成分
激光淬火
激光退火
激光熔覆
激光合金化
激光非晶化
激光熔凝淬火
激光诱导液相沉积
激光物理气相沉积
激光极化
激光冲击硬化
激光增强电镀
激光化学气相沉积
激光淬火、激光熔凝、激光熔覆以及激光 表面合金化有何相同处和不同处？
什么是离子注入？等离子体浸没离子注入 的工作原理是什么？
总结
表面淬火和表面形变强化技术 热扩渗 热喷涂、喷焊与堆焊技术 电镀和化学镀 气相沉积技术 高能束表面改性技术