1、授課學時：2 學時章節名稱第 10 章高能束表面改性技術 （2 學時）備注教學目的通過本章學習，掌握激光、電子和等離子三束技術在表面技術和要求領域的應用及各自的特點。（1） 激光表面改性技術重點（2） 離子束表面改性技術；難點（3） 電子束表面改性原理及特點教學方法教學手段教學進程設計（含教學內容、教學設計、時間分配等）1、教學方法：課堂講授法為主；用精講的方法突出重點，用分析證明、分類舉例（特別要分清“復合層次”，以免漏層）的方法突破難點。2、教學手段：以傳統的口述，現代的多媒體，再加黑板為輔助的多種手段交叉進行教學。32高能束是指能量密度大于10 W/cm的能量束，包括：離子束、激光束、電

2、子束高能束的特點可獲得極高的加熱和冷卻速度加熱速度極快，整個基體的溫度可以不受影響采用高能束流進行表面改性主要包括：利用激光束、電于束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高度過飽和固溶體和亞穩合金，從而賦予材料表面以特殊的性能。利用離子注入技術可把異類原子直接引入表面層中進行表面合金化， 引入的原子種類和數量不受任何常規合金化熱力學條件的限制。10.1 激光表面改性技術激光束表面處理：采用激光對材料表面進行改性的一種表面處理技術。激光照射到材料表面 -表層材料受熱升溫 -激光作用后冷卻 - 激光被吸收變為熱能 - 固態相變 /熔化 / 蒸發（

3、1）激光作用時間10-4s 左右，聚焦功率密度在102W/mm2 時，作用于金屬表面，主要產生溫升相變現象：用于激光相變硬化；（ 2）激光作用時間在10-3 1s 之間，聚焦功率密度在102 104W/mm2 的范圍時，金屬材料除了產生溫升、熔化現象之外，主要是氣化，用于熔化、焊接、合金化和熔敷。（ 3）激光作用時間在 <10-6s，聚焦功率密度增加到 109W/mm2 時，除了產生上述現象外，金屬內熱壓縮激波和金屬表面上產生的駭波沖擊效應成為主要現象，主要用于沖擊硬化。材料對激光吸收的基本特點聚焦激光具有極高的功率密度功率密度： 104109 W/cm 2，交互作用時間: 10-3 1

4、0-6s。32 52 32 感應加熱： 10 W/cm ；電子束加熱 max 10 W/cm ；電火花加熱 max 10 W/cm 。<1 m·從 0.25 m 紫外到 10.6 m 紅外波段，光波在各種金屬中的穿透深度只達到10nm 數量級對金屬表面狀況極為敏感金屬對激光吸收的微觀機制是光頻電磁波與金屬表面自由電子的相互作用<1 m·從 0.25 m 紫外到 10.6 m 紅外波段，光波在各種金屬中的穿透深度只達到10nm 數量級對金屬表面狀況極為敏感金屬對激光吸收的微觀機制是光頻電磁波與金屬表面自由電子的相互作用紅外激光、光子能量低 只與自由電子作用；可見光

5、與紫外光 還可與金屬中的束縛電子作用。金屬激光處理方法分類（ 1）激光束表面相變硬化在固態下經受激光輻照，其表層被迅速加熱到奧氏體溫度以上，并在激光停止輻射后快速淬火得到馬氏體組織的一種工藝。激光相變硬化的特點功率密度高、加熱快、冷卻快、淬火組織細、硬度高（提高1520）；輸入熱量少、變形量極小、基本不破壞表面光潔度；經本體熱傳導冷卻、無需冷卻介質、冷卻特性良好；選擇性局部表面淬火，硬化層深度、范圍可控，可處理內孔、溝槽等復雜形狀部位。超快速加熱使奧氏體形核率大大增加，奧氏體形成時間極短，晶粒來不及長大，因此奧氏體顯著細化（必然帶來隨后快冷的淬火組織極為細化）。激光淬硬時，鋼的微觀組織中晶體缺

6、陷和晶格畸變遠高于普通淬火，從而也顯著提高表層硬度。821012例如 45 鋼，一般淬火，位錯密度10 條 /cm ，激光淬火，位錯密度10 10條/cm2。位錯密度提高24 個數量級，抵抗塑性變形能力加強，即反映為硬度提高。激光表面淬硬的根本機制是利用了快速加熱奧氏體化及快冷的動力學特點，充分發揮了晶粒細化，固溶強化，彌散強化、相變硬化等強化機制的作用。表 1激光束相變硬化實例(2) 激光表面熔凝處理利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續掃描，使之迅速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使熔池中的金屬液以極高的速度冷卻、凝固，從而使金屬表面產生特殊微觀組織結構的一種表面改性技術激光

7、熔凝處理后橫截面組織示意圖T10 鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布激光熔凝強化機制一類是不發生組織的根本變化，僅僅是快速熔凝造成晶粒結構變化。普通碳鋼：熔凝處理在結晶過程中，奧氏體從液固界面向表面快速生長，形成定向排列的柱狀晶結構固態相變時奧氏體呈等軸晶結構不同。例 45 鋼激光表面固態淬硬，可達HRC 5658 ，激光快速熔凝強化，可達HRC5860另一類快速熔凝處理后，獲得了與固態相變硬化完全不同的表層組織，從而根本改變了性能。典型例子是鑄鐵，鑄鐵件表層組織全由珠光體+G （石墨）構成，硬度只有HRC2028 ；激光熔凝得到白口表層，且萊氏體生長方向指向表面，硬度至少達到 HRC 5

8、052 ，從而顯著強化。(3)激光熔覆用激光在基體表面熔覆一層薄的具有特定性能的材料，要求基體對表層合金的稀釋度為最小。預涂覆激光熔覆法同步送粉法熔覆材料：目前應用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復合材料。其中，又以鎳基材料應用最多，與鈷基材料相比，其價格便宜。熔覆工藝：激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預置式激光熔覆和同步式激光熔覆。預置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式最為常用。同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以

9、粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進行同步送料。激光熔覆的優點：冶金結合；加熱速度很快；熱變形較小；適用于面積較小的局部處理。激光熔覆術的應用航空領域鈦合金在航空航天領域廣泛使用， 主要用來制造高的強度 /質量比、耐熱和耐腐蝕的零部件，同時鈦合金在應用過程中也存在許多不足之處，如摩擦因數大，耐磨性差等。如果在鈦合金材料表面熔覆一層能增強材料表面特性的物質，同時利用激光熔覆技術，還可以降低成本，節約時間。石油方面許多金屬零部件長期處于承受重載狀態，同時還有嚴重的腐蝕和磨損現象，導致金屬零部件易損害，所以金屬零部件需要具有高硬度、高強度、高耐蝕性等各種性能，才能長期應用于惡劣環境。(4)激光合金

10、化： 利用激光束將一種或多種合金元素快速熔入基體表面，從而使基體表層具有特定的合金成分的技術。激光合金化的優點利用激光的深聚焦，在不規則的零件上可得到均勻的合金化深度；能準確地控制功率密度和控制加熱深度，從而減小變形；可以節約大量的具有戰略價值或貴重的元素，形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒細化，提高合金元素的固溶度和改善鑄造零件的成分偏析。(5) 激光清洗技術用功率密度很高（1081011w/cm 2）的激光束，在極短的脈沖持續時間內-9-3（ 10 10 s）照射金屬表面使表面的污物、顆粒、銹斑或者涂層等附著物很快氣化，從而達到潔凈化的工藝過程。10.2 離子束表面改性在離子注入機中把各種所

11、需的離子（如 N + 、C+ 、 O+、 Cr+、 Ni + 、 Ti+、 Ag +等金屬或非金屬離子）加速成具有幾萬甚至百萬電子伏特能量的載能束，并注入固體材料的表面層。離子注入將引起材料表層的成分和結構的變化，由此導致材料的各種物理、化學或力學性能發生變化，達到表面改質的目的。離子注入裝置簡圖離子注入改性機理表面硬度、耐磨性、疲勞強度固溶強化間隙原子固溶強化，注入層體積膨脹，應力， 阻止位錯 運動，硬度，耐磨性析出相彌散強化如：注入N、 C、 B 氮化物、碳化物、硼化物，彌散相， 硬度、耐磨性位錯釘扎大量的注入雜質聚集在因離子轟擊產生的位錯線的周圍，形成柯氏氣團，并在位錯線上形成許多位錯釘

12、扎點，阻止位錯運動，改善抗磨性能。10.3 電子束表面改性電子束表面改性原理當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生相互作用，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。在電子槍里，燈絲通電加熱后，產生大量的熱電子。在陰極和陽極之間的高壓電場作用下，熱電子加速向陽極方向高速移動，并獲得很高的動能。在聚焦線圈的作用下，可使電子束流聚焦。在偏轉線圈的作用下，可使電子束發生偏轉，從而在一定范圍內進行掃描。電子束表面改性的特點（ 1）電子束淬火處理在真空中進行，減少了氧化、氮化的影響，可得到純凈、質量很好的表面處理層。（ 2）電子束加熱能量的轉換率為80% 90%，能量利用率非常高。（ 3）電子束淬火時靠金屬基體自行冷卻淬火介質，一般也不需要特別的冷卻裝置。（ 4）由于能量集中、熱