激光電子束離子束三束區(qū)別

1、電子束、離子束、激光束是表面工程領(lǐng)域內(nèi)的三大載體，號(hào)稱三束改性。都具有高能量密度特性。 顧名思義電子束加工是以激發(fā)電子作為載體，離子束則以離子。離子束加工是一種元素注入過程，具有輻照損傷、噴丸作用、表面壓縮、形成表面非晶態(tài)，形成彌散化合物質(zhì)點(diǎn)等效應(yīng)，而電子束與激光束的主要作用在高能量，沒有輻照、表面壓縮等特性。電子束、離子束、激光束是表面工程領(lǐng)域內(nèi)的三大載體，號(hào)稱三束改性。都具有高能量密度特性。 顧名思義電子束加工是以激發(fā)電子作為載體，離子束則以離子。離子束加工是一種元素注入過程，具有輻照損傷、噴丸作用、表面壓縮、形成表面非晶態(tài)，形成彌散化合物質(zhì)點(diǎn)等效應(yīng)，而電子束與激光束的主要作用在高能量，沒

2、有輻照、表面壓縮等特性電子束聚焦點(diǎn)最細(xì)最深，激光束次之，離子束最粗。電子束聚焦直徑（打孔）最小可以小于1um。電子束由電子組成，而離子束一般由金屬粒子組成，本質(zhì)的原理是一樣的。都有濺射作用，對(duì)樣品損傷也沒一定的規(guī)律。但對(duì)于石英材料來講，損傷很明顯。電子束不會(huì)造成成分污染，但離子束會(huì)，相當(dāng)于離子注入。3.加工特點(diǎn)：電子束：（1）.束徑小、能量密度高；（2）.非接觸加工，加工過程中工具與加工工件之間不存在明顯的機(jī)械切削力，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形；（3）.被加工對(duì)象范圍廣；（4）.電子束能量高，加工速度快、效率高；（5）.電子束加工需要一套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格昂貴。離子束：（1）.加工精度和表面質(zhì)

3、量高；（2）.加工材料廣泛；（3）.加工方法豐富；（4）.性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；（5）.應(yīng)用范圍廣泛，可根據(jù)加工要求選擇。激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范圍廣；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.價(jià)格昂貴加工方法：電子束;（1）.電子束掃描曝光；（2）.電子束投影曝光；（3）.電子束表面改性。離子束：（1）.離子束濺射去除加工；（2）.離子束濺射鍍膜加工；（3）.離子束注入加工；（4）.離子束曝光加工。激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范圍廣；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.價(jià)格昂貴。材料表面改性目的和意義材料表面改性是指不

4、改變材料整體（基體）特性，僅改變材料近表面層的物理、化學(xué)特性的表面處理手段，材料表面改性也可以稱為材料表面強(qiáng)化處理?，F(xiàn)代材料表面改性目的：是把材料表面與基體看作為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改性，以最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法改變材料近表面層的形態(tài)、化學(xué)成份和組織結(jié)構(gòu)，賦予新的復(fù)合性能，以新型的功能，實(shí)現(xiàn)新的工程應(yīng)用。因此，現(xiàn)代材料表面改性一是可以使材料表面獲得更好的表面特性，有效地延長(zhǎng)零件使用壽命；二是可以用性能較差的合金鋼代替優(yōu)質(zhì)合金鋼，以節(jié)省優(yōu)質(zhì)合金鋼材料；三是可以研制出新穎材料。這種多功能綜合化，用于提高材料表面性能的各種現(xiàn)代表面改性技術(shù)統(tǒng)稱為現(xiàn)代表面改性技術(shù)。現(xiàn)代表面改性技術(shù)適用于金屬及其合金、

5、陶瓷、玻璃、聚合物及半導(dǎo)體材料等多種現(xiàn)代材料?，F(xiàn)代材料表面改性技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代材料表面改性技術(shù)是一門由多種學(xué)科發(fā)展而來的技術(shù)組合，其發(fā)展經(jīng)歷了很長(zhǎng)，很復(fù)雜的過程。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，如表面熱處理、表面滲碳等已有上百年的歷史了。上世紀(jì)50年代高分子涂裝技術(shù)有了非常大的發(fā)展，由古老的刷涂、空氣噴涂發(fā)展為靜電噴涂、流化床涂裝、電泳涂裝及靜電涂裝。60年代以來，傳統(tǒng)的淬火已由火焰加熱發(fā)展為高頻加熱。后來，激光器與電子束裝置的應(yīng)用，出現(xiàn)了激光束、電子束的淬火技術(shù)。電鍍是一門古老的表面改性技術(shù)，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，電鍍只能鍍覆純金屬模，目前已能鍍覆多種合金，也可以在表面上鍍陶瓷和金剛石粉末，以增加表面的抗磨性。70

6、年代以來，化學(xué)鍍有了很大的發(fā)展，它已成為一個(gè)有效的鍍覆手段。近30年來，熱噴涂得到了迅速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外形成了一種熱噴涂技術(shù)熱，使它在多種工業(yè)部門得到了廣泛應(yīng)用，而且發(fā)展出多種類型的熱噴涂技術(shù)。激光束、電子束成功地應(yīng)用于現(xiàn)代材料表面改性，出現(xiàn)了如激光表面涂敷、激光表面合金化、激光表面淬火、電子束表面淬火、表面鍍膜等等多種現(xiàn)代材料表面改性技術(shù)。激光表面改性激光束的能量密度非常高，因而當(dāng)它照射在物體表面時(shí)能夠產(chǎn)生106108K/cm非常高的溫度梯度，使表面迅速熔化。移去熱源時(shí)，冷的基體又會(huì)使熔化部分以1091011K/s的速度冷卻，使表面迅速凝固。由于激光的這種特性，它可用于材料的激光相變、激光表面

7、合金化與激光熔覆處理，提高材料表面的硬度、抗磨性、抗蝕性。激光束與金屬的相互作用1.金屬對(duì)激光的吸收激光束照射金屬時(shí)，激光束能量會(huì)很快轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倬Ц竦膭?dòng)能，從而使金屬表層迅速熔化，激光束部分能量被吸收，部分能量被反射。金屬對(duì)激光的吸收因金屬而異，金屬的表面狀態(tài)對(duì)于反射率極為敏感，表面越光滑反射率越高，表面雜質(zhì)和氧化物會(huì)使反射率急劇變化。激光透入金屬的深度僅為表面下10-5cm的范圍，所以激光對(duì)金屬的加熱可看作是一種表面熱源，在表面層光能變?yōu)闊崮?，此后，熱能按熱傳?dǎo)規(guī)律向金屬深處傳導(dǎo)。圖6.10各種激光加工方法使用的功率密度及時(shí)間范圍激光相變硬化1.激光相變硬化的機(jī)理激光相變硬化得到超高硬度的機(jī)

8、理主要是：由于高的加熱和冷卻速率使生成的馬氏體針更加細(xì)化。例如，Cr12中一般淬火的馬氏體針長(zhǎng)度約6mm，而激光淬火后馬氏體針長(zhǎng)度約2mm。2激光相變硬化的特點(diǎn)加熱和冷卻速率高：加熱速率可達(dá)1051090C/s，對(duì)應(yīng)的加熱時(shí)間為10-310-7s，冷卻速率可達(dá)1041070C/s。掃描速率越快，冷卻速率也越快。高硬度：激光淬火層的硬度比常規(guī)淬火層提高15%20%。變形?。杭す獯慊鸨砻嬗泻艽蟮臍堄鄩簯?yīng)力（可達(dá)4000MPa），有利于提高疲勞強(qiáng)度。由于加熱層薄，加熱激光快，即使很復(fù)雜的零件，變形也非常小。表層顯微組織：由于激光加熱速率極快，相變?cè)诤艽蟮倪^熱度下進(jìn)行，形核率很大。因加熱時(shí)間又很短，碳

9、原子的擴(kuò)散及晶粒的長(zhǎng)大受到限制，所以得到的奧氏體晶粒小而不均勻。冷卻速率也比使用任何淬火劑都快，因而易得到隱針或細(xì)針馬氏體組織。3激光熔化淬火如果提高激光功率，或減小光束直徑、減小掃描速率，對(duì)金屬掃描時(shí)，表面薄層被熔化，當(dāng)光束離開時(shí)，由于冷的基體的散熱作用，會(huì)產(chǎn)生固相相變硬化所類似的冷卻作用，使表層可產(chǎn)生一層液體金屬的激冷組織，這種硬化技術(shù)可稱為激光熔化淬火。4激光非晶化激光處理的急劇冷卻速率是獲得非晶態(tài)金屬的一個(gè)重要手段，它也被稱為激光上釉。非晶體合金與對(duì)應(yīng)的晶體相比，強(qiáng)度、韌性和硬度都高，導(dǎo)磁性可與鎳鐵鋁超級(jí)導(dǎo)磁合金媲美，電阻為晶體的23倍，耐蝕性超過不銹鋼，但耐疲勞性不及晶體。這種工藝已

10、成功地用于在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤表面形成一非晶態(tài)層，使其重量減輕50%。5激光退火激光退火用于半導(dǎo)體材料。6.激光沖擊硬化激光沖擊硬化是以107W/mm2以上的高功率密度的脈沖激光照射金屬表面，使金屬表面急劇氣化，形成的沖擊波反作用于表面使表面硬化。沖擊波的力量可達(dá)104Pa，從而使表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，增加位錯(cuò)的密度，提高材料的強(qiáng)度及疲勞壽命。激光表面合金化與激光熔覆激光表面合金化激光表面合金化的基本目的也是為了提高表面的耐磨、防腐等性能。激光表面合金化是指：把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式涂覆到金屬基體表面上，通過激光加熱使涂覆層與基體表面共熔而混合，形成表面特種合金層。它是通過熔化表面涂覆

11、層A和部分基體B把涂覆層元素可控制地結(jié)合入基體B中，液態(tài)混合之后將發(fā)生快速的再凝固，從而使合金元素被結(jié)合到基體表面附近。激光表面熔覆激光表面熔覆是指：在金屬基體表面上預(yù)涂一層金屬、合金或陶瓷粉末，在進(jìn)行激光重熔時(shí)，控制能量輸入?yún)?shù)，使添加層熔化并使基體表面層微熔，從而得到一外加的熔覆層。激光表面熔覆與激光表面合金化的不同在于基體表面層微熔而添加物全熔，這樣一來避免了熔化基體對(duì)添加層的稀釋，可獲得具有原來特性和功能的強(qiáng)化層。電子束表面改性電子束表面改性原理電子束照射到材料表面時(shí)，入射電子會(huì)同材料的原子核及電子發(fā)生相互作用，由于入射電子與原子核的質(zhì)量差別特別大，入射電子與原子核的碰撞基本上是彈性碰

12、撞，因此入射電子能量傳遞主要是通過與基體的電子碰撞實(shí)現(xiàn)的，入射電子通過碰撞，入射電子的能量立即以熱能形式傳遞給了點(diǎn)陣原子，入射電子的能量以極快速度沉積在材料表面層，使材料表面表面層迅速熔化，當(dāng)電子束離開表面后，基體的熱傳導(dǎo)使熔化表面很快凝固。用電子束照射時(shí)，能量沉積僅依賴于入射能量E，并與靶材原子序數(shù)（Z）有關(guān)，改變電子束的入射角，沉積能量也會(huì)隨之改變。電子束輻照與激光輻照的主要區(qū)別在于最高溫度時(shí)的深度和最小熔化層厚度不同。電子束輻照時(shí)，熔化層至少幾微米厚；電子束能量沉積范圍較激光輻照大；電子束輻照時(shí)的液相溫度較激光輻照時(shí)低，因而溫度梯度較小，而激光加熱溫度梯度較高，并能保持較長(zhǎng)時(shí)間。電子束在

13、真空條件下可以象激光一樣用于材料表面改性。電子束表面改性電子束表面改性方法：電子束表面改性方法與激光相類似，電子束表面改性方法包括下列幾種：電子束淬火：即利用鋼鐵材料的馬氏體相變進(jìn)行表面改性。電子束表面合金化：如果提高電子束功率，材料表面會(huì)發(fā)生熔化，若在熔池中添加合金元素即可以進(jìn)行電子束合金化。電子束覆層：基材不熔化形成另一種材料的薄層。制造非晶態(tài)層：使熔化表面層激冷而獲得薄的微晶或非晶態(tài)層。電子束改性的特點(diǎn)電子束改性與激光束改性有大致相同的特點(diǎn)，但在下幾方面兩者又有差異：能量利用率：金屬對(duì)激光吸收率很低，而對(duì)電子束吸收率非常高，甚至可達(dá)99%，因此，電子束可獲得更高密度的能量沉積。電子束功率可比激光大一個(gè)數(shù)量級(jí)。能量透入深度：激光的能量透入深度很小，一般為0.1mm，而電子束的能量透入深度大得多，一般為10mm。因此，激光為表面熱源，電子束為次表面