高能束表面改性與處理要求課件

1、高能束表面改性和處理要求高能束表面改性和處理要求概概述述激光束、離子束、電子束激光束、離子束、電子束三束 三束材料表面改性的技術(shù)主要包括兩個方面：三束材料表面改性的技術(shù)主要包括兩個方面： 1利用三束（激光、電子）的高能量可獲得極高的加熱和冷卻速度，從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、熱平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)合金相，從而賦予材料表面特殊的性能。 2.利用離子注入技術(shù)可把異類原子直接引入表面層進行合金化，引入的原子種類和數(shù)量不受任何常規(guī)合金熱力學(xué)條件的限制。 三束加熱特點： 1三束直接加熱的材料表層一般深度在幾微米； 2加熱表面功率密度相當(dāng)大，電子束、離子束的脈沖寬度為10-9s，激光的脈沖寬度

2、可短至10-12s; 3材料表面由表及里產(chǎn)生極高的溫度梯度，106108K/cm，從而導(dǎo)致極高的冷卻速度，1091011K/s. 4表面產(chǎn)生大量缺陷，特別是離子束，除加熱材料表面外，固體表面受到離子的轟擊時，表面原子大量被濺射出來，從而產(chǎn)生缺陷。 高能束流技術(shù)對材料表面的改性是通過改變材料表面的成分或結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了， 成分的改變包括：表面合金化和熔覆； 結(jié)構(gòu)的改變包括：組織和相的改變 利用高能束的表面合金化的重要特點是可以獲得結(jié)構(gòu)上的亞穩(wěn)組織，往往具有抗蝕能力及較高的機械強度。激光表面處理激光表面處理 激光表面處理的目的： 改變表面層的成分和顯微結(jié)構(gòu)； 激光表面處理工藝包括： 激光相變硬化、激光熔

3、覆、激光合金化、激光非晶化和激光沖擊硬化等： 激光表面處理的許多效果是與快速加熱和隨后的急速冷卻分不開的。加熱和冷卻速率可達106s108s。 目前，激光表面處理技術(shù)已用于汽車、冶金、石油、機車、機床、軍工、輕工、農(nóng)機以及刀具、模具等領(lǐng)域，并正顯示出越來越廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。 一、激光的特點 （1）高方向性 激光光束的發(fā)散角可以小于一到幾個毫弧度，可以認為光束基本上是平行的。 一般的平行平面型諧振腔的激光發(fā)射角由下式表示： 2.44d 式中，d為工作物質(zhì)直徑；為激光波長。（2）高光強性 激光器發(fā)射出來的光束非常強，通過聚焦集中到一個極小的范圍之內(nèi)，可以獲得極高的能量密度或功率密度，聚集后的功率

4、密度可達1014Wcm2， 焦斑中心溫度可達幾千度到幾萬度，只有電子束的功率密度才能和激光相比擬。（3）高單色性 激光具有相同的位相和波長，所以激光的單色性好。（4）高相干性二、激光表面處理設(shè)備 激光表面處理設(shè)備包括： 激光器、 功率計、 導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、 工作臺、 數(shù)控系統(tǒng)、 軟件編程系統(tǒng)。(一) 激光的產(chǎn)生 某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)受外界能量激發(fā)時，可能使處于亞穩(wěn)態(tài)能級的原子數(shù)目大于處于低能級的原子數(shù)目，此物質(zhì)被稱為激活介質(zhì)，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。 如果這時用能量恰好與此物質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)和低能態(tài)的能量差相等的一束光照射此物質(zhì)，則會產(chǎn)生受激輻射，輸出大量頻率、位相、傳播和振動方向都與外來光完全一致

5、的光，這種光稱為激光。 （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。 基模光斑呈圓形，能量較集中。 基模與低階模通常用于激光加工和處理，如焊接、切割等。 高階模由于強度分布較均勻，常用于材料表面均勻加熱，可避免局部熔化。（三）激光的功率密度 激光光斑越大，光斑上功率密度越小。 因此，選擇透鏡的焦距和調(diào)節(jié)工件表面離開透鏡的位置對功率密度有重要影響。 （四）激光與材料的相互作用 激光與材料的相互作用主要是通過電子激發(fā)實現(xiàn)的。 只有一部分激光被材料所吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，另一部分激光則從材料表面反射。不同材料對不同波長激光的反射率是不同的。 一般情況下，電導(dǎo)率高的金屬材料對激光的反射率高，

6、表面粗糙度小反射率也高。激光器激光器 1氣體激光器：氣體激光器：以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)，包括原子、分子、離子、準(zhǔn)分子、金屬原子蒸氣等。 a) 氦-氖激光器：是最早出現(xiàn)的氣體激光器，也是目前用得最廣泛的典型原子激光器。它以連續(xù)放電激勵方式運轉(zhuǎn)。其連續(xù)輸出功率最大為瓦級。 它在可見和紅外區(qū)有許多激光譜線，最重要的是0.6328m, 1.15m和3.39m三條譜線。 在激光加工設(shè)備中，常作紅外激光器與導(dǎo)光系統(tǒng)的調(diào)整裝置。b) 氬離子激光器 氬離子激光器是目前可見光區(qū)連續(xù)功率最高的相干光光源。 其最高連續(xù)功率已達成150W，效率最高達0.6%,使用壽命超過1000h,頻率穩(wěn)定度為210-5，常用于微加

7、工中。c) CO2激光器橫向流動、快速軸流（縱流） CO2激光器輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，一般為1520%. 材料加工用的商品CO2激光器輸出功率為數(shù)十瓦至萬瓦(520kw)之間，脈沖輸出功率為數(shù)千瓦至105瓦。 CO2激光器的波長為10.6m.CO2氣體激光器的特點 CO2氣體激光器是以CO2氣體為激活媒質(zhì)，發(fā)射的是中紅外波段激光，波長為10.6m。一般是連續(xù)波（簡稱CW），但也可以脈沖式地工作。其特點是： 電-光轉(zhuǎn)換功率高，理論值可達4O，一般為1020。其他類型的激光器如紅寶石的僅為2。 單位輸出功率的投資低。 能在工業(yè)環(huán)境下，長時間連續(xù)穩(wěn)定工作。 易于控制，有利于自動化。工業(yè)用大功率CO

8、2激光器 l）直管型（縱向流動）激光器 2）橫流型CO2激光器。 d) 準(zhǔn)分子激光器 準(zhǔn)分子激光器的工作粒子是一種在激發(fā)態(tài)復(fù)合為分子，而在基態(tài)離解為原子的不穩(wěn)定締合物。固體激光器固體激光器 固體激光器的主要特點是：固體激光器的主要特點是： 1) 固體激光器輸出光波波長較短，如紅寶石激光器輸出波長為694.3nm; Nd3+：YAG及Nd3+玻璃激光器的波長為1.06m，比CO2激光器低一個數(shù)量級。 對于大多數(shù)材料，尤其是金屬材料，激光波長越短，吸收系數(shù)越大，加熱效率越高。 2）固體激光器輸出比較容易用普通光學(xué)元件傳遞，在許多應(yīng)用中方便靈活。 3）固體激光器結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、使用維護方便，價格

9、也略低于氣體激光器。 機械系統(tǒng) （l）光束不動（包括焦點位置不動），零件按要求移動的機械系統(tǒng)； （2）零件不動，光束按要求移動（包括焦點位置移動）的機械系統(tǒng)； （3）光束和零件同時按要求移動的機械系統(tǒng)；激光束與金屬的交互作用激光束與金屬的交互作用 金屬對激光波長的吸收因金屬而異，一般為10m左右，在臨界波長以上，金屬的反射率非常高，在90%以上，在臨界值以下，反射率急劇減小。 金屬的表面狀態(tài)對于反射率極為敏感，表面越光滑反射率越高。 激光透入金屬的深度，僅為表面下 10-5cm的范圍。所以激光對金屬的加熱，可以看做是一種表面熱源，在表面層光能變?yōu)闊崮?，此后熱能按一般的傳?dǎo)規(guī)律向金屬深處傳導(dǎo)。

10、當(dāng)激光束強度遠低于熔化閾值時，由于輻照金屬表面中高的溫度梯度的作用，在亞表層區(qū)會產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻應(yīng)變。根據(jù)不同的金屬加工要求，選用不同功率的根據(jù)不同的金屬加工要求，選用不同功率的激光功率密度激光功率密度激光相變硬化激光相變硬化 激光相變硬化中的幾個問題激光相變硬化中的幾個問題 1工件的黑化處理工件的黑化處理 因一般情況下，大部分固體金屬都會使波長為10.6m（CO2）激光的絕大部分反射，如果進行黑化處理可使吸收率大幅度提高。 黑化處理主要有：涂碳法、膠體石墨法和磷酸鹽法等； 其中磷酸鹽法最好，其吸收率可達8090%，膜厚僅為5m，同時具有防銹性。2 激光束的模式 激光束的能量分布和狀態(tài)由光束的

11、構(gòu)型或模式來描述，與光束傳輸系統(tǒng)相關(guān)的激光構(gòu)型可以有四種模式： 高斯模（單模）； 多模； 矩型模； 頂模 3. 焦距選擇與焦深 激光熱處理多要求淬火帶在2mm以上，應(yīng)選用長焦距的透鏡和聚焦反射鏡，焦距一般為2m左右。 在激光熱處理中焦深也是一個非常重要的參數(shù)，焦距越大焦深也越大。掃描速度和方式對硬化帶的影響 硬化帶深度和寬度都隨掃描速度的增加而減小。激光相變硬化的特點激光相變硬化的特點 1 加熱和冷卻速度高加熱和冷卻速度高 加熱速度可達105109/s, 對應(yīng)的加熱時間為10-310-7s； 冷卻速率可達104107/s。 掃描速率越快，冷卻速率也越快2 高硬度高硬度 激光淬火層的硬度比常規(guī)淬

12、火層提高1520%。 淬火硬度與加熱溫度有關(guān)，與保溫時間無關(guān)。 硬化層深度：通常為0.30.5mm。 3. 變形小變形小表層顯微組織低碳鋼分為兩層： 外層是完全淬火區(qū)，組織是隱針馬氏體； 內(nèi)層是不完全淬火區(qū)，保留有鐵素體；高碳鋼分為兩層： 外層是隱針馬氏體； 內(nèi)層是隱針馬氏體加未溶碳化物。中碳鋼分為四層： 外層是白亮的隱針馬氏體；硬度達HV800，比一般淬火硬度高100以上； 第二層是隱針馬氏體加少量屈氏體，硬度稍低； 第三層是隱針馬氏體加網(wǎng)狀屈氏體，再加少量鐵素體； 第四層是隱針馬氏體和完整的鐵素體網(wǎng)。鑄鐵可分為三層： 表層是熔化凝固所得的樹枝狀結(jié)晶，此區(qū)隨掃描速度的增大而減小； 第二層是隱

13、針馬氏體加少量殘余的石墨及磷共晶組織； 第三層是較低溫度下形成的馬氏體。激光處理工藝及應(yīng)用 1激光表面強化 2激光表面涂敷 3激光表面非晶態(tài)處理 4激光表面合金化 5激光氣相沉積 電子束表面處理 高速運動的電子具有波的性質(zhì)。 當(dāng)高速電子束照射到金屬表面時，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。 電子與原子核的碰撞可看作為彈性碰撞，因此能量傳遞主要是通過電子束的電子與金屬表層電子碰撞而完成的。 所傳遞的能量立即以熱能形式傳與金屬表層原子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。 這與激光加熱有所不同，激光加熱時被處理金屬表面吸收光子能量，激光并未穿過金屬表面。 目前電子束

14、加速電壓達125kV， 輸出功率達150kw， 能量密度達103MW/m2， 因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。一、電子束表面處理主要特點 (1) 加熱和冷卻速度快。 將金屬材料表面由室溫加熱至奧氏體化溫度或熔化溫度僅幾分之一到千分之一秒，其冷卻速度可達l06sl08s； （2）與激光相比使用成本低。 電子束處理設(shè)備一次性投資比激光少（約為激光的13；電子束實際使用成本也只有激光處理的一半； （3）結(jié)構(gòu)簡單。 電子束靠磁偏轉(zhuǎn)動、掃描，而不需要工件轉(zhuǎn)動、移動和光傳輸機構(gòu)； （4）電子束與金屬表面偶合性好。 電子束所射表面的角度除34特小角度外，電子束與表面的偶合不受反射的影響，能量利用率遠高

15、于激光。因此電子束處理工件前，工件表面不需加吸收涂層； （5）電子束是在真空中工作的，以保證在處理中工件表面不被氧化，但帶來許多不便。 （6）電子束能量的控制比激光束方便 通過燈絲電流和加速電壓很容易實施準(zhǔn)確控制。 （7）電子束輻照與激光輻照的主要區(qū)別在于產(chǎn)生最高溫度的位置和最小熔化層的厚度。 電子束加熱時熔化層至少幾個微米厚，這會影響冷卻階段固一液相界面的推進速度。電子束加熱時能量沉積范圍較寬，而且約有一半電子作用區(qū)幾乎同時熔化。電子束加熱的液相溫度低于激光，因而溫度梯度較小，激光加熱溫度梯度高且能保持較長時間。 （8）電子束易激發(fā)X射線，使用過程中應(yīng)注意防護。二、電子束表面處理工藝 1電子

16、束表面相變強化處理 用散焦方式的電子束轟擊金屬工件表面，控制加熱速度為103s105s，使金屬表面加熱到相變點以上，隨后高速冷卻（冷卻速度達108KS1010KS）產(chǎn)生馬氏體等相變強化。 適用于碳鋼、中碳低合金鋼、鑄鐵等材料的表面強化處理。 2電子束表面重熔處理 利用電子束轟擊工件表面使表面產(chǎn)生局部熔化并快速凝固，從而細化組織，達到硬度和韌性的最佳配合。 3電子束表面合金化處理 電子束表面合金化所需電子束功率密度約為相變強化的3倍以上，或增加電子束輻照時間，使基體表層的一定深度內(nèi)發(fā)生熔化。 4電子束表面非晶化處理 電子束表面非晶化處理與激光表面非晶化處理相似，只是所用的熱源不同而已。 三、電子

17、束表面處理設(shè)備 處理設(shè)備包括： 高壓電源、 電子槍、 低真空工作室、 傳動機構(gòu)、 高真空系統(tǒng) 電子控制系統(tǒng)。第八節(jié) 離子注入表面改性 離子注入是將所需物質(zhì)的離子在電場中加速后高速轟擊工件表面使之注入工件表面一定深度的真空處理工藝，也屬于PVD范圍。 用離子注入方法可獲得高度過飽和固溶體、亞穩(wěn)定相、非晶態(tài)和平衡合金等不同組織結(jié)構(gòu)形式，大大改善了工件的使用性能。 離子注入已在表面非晶化、表面冶金、表面改性和離子與材料表面相互作用等方面取得了可喜的研究成果。 一、離子注入的原理 裝置包括離子發(fā)生器、分選裝置、加速系統(tǒng)、離子束掃描系統(tǒng)、試樣室和排氣系統(tǒng)。從離子發(fā)生器發(fā)出的離子由幾萬伏電壓引出，進入分選

18、部，將一定的質(zhì)量電荷比的離子選出。在幾萬至幾十萬伏電壓的加速系統(tǒng)中加速獲得高能量，通過掃描機構(gòu)掃描轟擊工件表面。離子進入工件表面后，與工件內(nèi)原子和電子發(fā)生一系列碰撞。 注入離子與工件內(nèi)原子和電子發(fā)生一系列碰撞。這一系列碰撞主要包括三個獨立的過程： （l）核碰撞。入射離子與工件原子核的彈性碰撞。碰撞結(jié)果使固體中產(chǎn)生離子大角度散射和晶體中產(chǎn)生輻射損傷等。 （2）電子碰撞。入射離子與工件內(nèi)電子的非彈性碰撞，其結(jié)果可能引起離子激發(fā)原子中的電子或使原子獲得電子、電離或X射線發(fā)射等。 （3）離子與工件內(nèi)原子作電荷交換。 二、溝道效應(yīng)和輻照損傷 高速運動的離子注入金屬表層的過程中，與金屬內(nèi)部原子發(fā)生碰撞。由

19、于金屬是晶體，原子在空間呈規(guī)則排列。當(dāng)高能離子沿晶體的主晶軸方向注入時，可能與晶格原子發(fā)生隨機碰撞，若離子穿過晶格同一排原子附近而偏轉(zhuǎn)很小并進入表層深處，這種現(xiàn)象稱為溝道效應(yīng)。輻照損傷 具有足夠能量的入射離子，或被撞出的離位原子，與晶格原子碰撞，晶格原子可能獲得足夠能量而發(fā)生離位，離位原子最終在晶格間隙處停留下來，成為一個間隙原子，它與原先位置上留下的空位形成空位一間隙原子對。這就是輻照損傷。 只有核碰撞損失的能量才能產(chǎn)生輻照損傷，與電子碰撞一般不會產(chǎn)生損傷。輻照增強擴散 輻照增強了原子在晶體中的擴散速度。 由于注入損傷中空位數(shù)密度比正常的高許多，原子在該區(qū)域的擴散速度比正常晶體的高幾個數(shù)量級

20、。這種現(xiàn)象稱輻照增強擴散。三、離子注入的特征 （l）離子注入法不同于任何熱擴散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和擴散系數(shù)的影響。 因此，用這種方法可能獲得不同于平衡結(jié)構(gòu)的特殊物質(zhì)，是開發(fā)新型材料的非常獨特的方法； （2）離子注入溫度和注入后的溫度可以任意控制，且在真空中進行，不氧化，不變形，不發(fā)生退火軟化，表面粗糙度一般無變化，可作為最終工藝； （3）可控性和重復(fù)性好。通過改變離子源和加速器能量，可以調(diào)整離子注入深度和分布；通過可控掃描機構(gòu)，不僅可實現(xiàn)在較大面積上的均勻化，而且可以在很小范圍內(nèi)進行局部改性。 （4）可獲得兩層或兩層以上性能不同的復(fù)合材料。復(fù)合層不易脫落。注入層薄，工件尺寸基本

21、不變。 但從目前的技術(shù)水平看，還存在一些缺點，如注入層薄（1m），離子只能直線行進，不能繞行，對于復(fù)雜的和有內(nèi)孔的零件不能進行離子注入，設(shè)備造價高，所以應(yīng)用還不廣泛。四、離子注入表面改性的機理 1離子注入提高硬度、耐磨性和疲勞強度的機理 離子注入提高硬度是由于： 注入的原子進入位錯附近或固溶體產(chǎn)生固溶強化的緣故。當(dāng)注入的是非金屬元素時，常常與金屬元素形成化合物，如氮化物、碳化物或硼化物的彌散相，產(chǎn)生彌散強化。離子轟擊造成的表面壓應(yīng)力也有冷作硬化作用，這些都使得離子注入表面硬度顯著提高。 離子注入提高耐磨性的原因： 離子注入能引起表面層組分與結(jié)構(gòu)的改變。大量的注入雜質(zhì)聚集在因離子轟擊產(chǎn)生的位錯線

22、周圍，形成柯氏氣團，起釘扎位錯的作用，使表層強化，加上高硬度彌散析出物引起的強化，提高了表面硬度，從而提高耐磨性。 另一種觀點認為耐磨性的提高是離于注入引起摩擦系數(shù)的降低起主要作用。還認為可能與磨損粒子的潤滑作用有關(guān)。因為離子注入表面磨損的碎片比沒有注入的表面磨損碎片更細，接近等軸，而不是片狀的，因而改善了潤滑性能。離子注入延長疲勞壽命 離子注入改善疲勞性能是因為產(chǎn)生的高損傷缺陷阻止了位錯移動及其間的凝聚，使表面強度大大提高。 分析表明，離子注入后在近表面層可能形成大量細小彌散均勻分布的第二相硬質(zhì)點而產(chǎn)生強化，而且離子注入產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力可以壓制表面裂紋的產(chǎn)生。從而延長了疲勞壽命。2離子注入提

23、高抗氧化性的機理 離子注入顯著提高了材料抗氧化性的原因： （1）注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程擴散通道，防止氧進一步向內(nèi)擴散； （2）形成致密的氧化物阻擋層。某些氧化物，如Al2O3、Cr2O3、SiO2能形成致密的薄膜，其他元素難以擴散通過這種薄膜，起到了抗氧化的作用； （3）離子注入改善氧化物的塑性，減少氧化產(chǎn)生的應(yīng)力，防止氧化膜開裂； （4）注入元素進入氧化膜后改變了膜的導(dǎo)電性，抑制陽離子向外擴散，從而降低氧化速率。3離子注入提高耐腐蝕性的機理 離子注入不但形成致密的氧化膜，而且改變表面電化學(xué)性能，提高耐蝕性。 如Cr+注入Cu，能形成一般冶金方法不能得到的新亞穩(wěn)態(tài)表面相，改善了銅的耐腐蝕性能；用Pb+注入Ti后，在沸騰的濃度為1mol/L的H2SO4中耐蝕電位接近純鉛，使耐蝕性大大提高。 五、離子注入的應(yīng)用 （一）注