高能粒子束表面改性技术研究与发展
高能粒子束表面改性技术研究与发展
昆明理工大学材料111班解开书
【摘要】主要叙述了高能粒子束表面改性技术中的离子束表面改性技术的基本原理、工艺特点、发展趋势及其存在的问题和解决途径。
关键词：高能粒子束；表面改性；研究与进展
前言
高能粒子束表面改性是通过高能量密度的束流改变材料表面的成分或组织结构的表面处理技术。由于高能粒子束的功率密度可以达到108W/cm2以上，甚至可超过109W/cm2，因此在极短的作用周期下，材料表面就能达到其他表面技术所无法达到的效果。高能粒子束表面改性技术具备以下一些特点：
（1）能量密度可以在很大范围内进行调节，并可精确控制；
（2）高能粒子束表面改性技术可以方便地与传统的表面改性技术结合起来，从而弥补甚至消除各自的局限性；
（3）利用高能粒子束可以对材料表面进行超高速加热和超高速冷却，其冷却速度可达104℃/S，从而实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属复合材料的制备。
1高能离子束表面改性技术的研究及其应用
1.1 离子束表面改性研究现状
20世纪70年代中期，离子注入技术进入到半导体材料的表面改性，采用离子注入精细掺杂取代热扩散工艺，使半导体从单个晶体管加工发展为平面集成电路加工。20世纪80年代初，离子束混合的出现，对离子束冶金学的发展做出了巨大的贡献。80年代中期，金属
蒸发真空弧离子源（M EV VA）和其他金属离子源的问世，为离子束材料改性提供了强金属离子束。与此同时，为克服注入层浅的问题，开始研究离子束辅助沉积技术（IBAD），又称离子束增强沉积技术（IBED）。20世纪末发展起来的称为“等离子体注入”技术（PSII-PIasm a Source Ion Implantation）克服了常规注入的缺点，可对成批工件同时进行全方位的离子注入而引起人们的关注，由于工件是直接“浸泡”在被注入元素的等离子体内，也有人称之为“等离子体浸没离子注入”（PI II-Plasma Source Ion Implantation）。PSII技术发
展很快，该技术的奠基人之一CONRAD J R已取得大量基础研究和应用成果。
自20世纪70年代以来，许多国家对离子注入材料改性的研究和应用都给予了相当的重视，一些大学、科研机构和公司都相继成立了专门从事这方面工作的研究中心或实验室，如美国的斯坦福大学，英国的哈威尔原子能研究中心以及日本的RIK EN物理化学研究所等。我国离子注入改性技术的研究，早期也和国外一样主要集中在半导体的研究和应用方面，从20世纪70年代至今逐渐把该技术应用于其他领域，特别是在优化材料表面的摩擦学特性方面的研究和应用得到了不断发展。目前，除了北京师范大学、清华大学、四川联合大学原子能研究所、中国原子能研究所等有专门的研究中心外，还在上海冶金研究所建立了中国科学院离子束开放实验室，在大连理工大学建立了国家激光束、电子束、离子束开放研究室。但是由于高性能离子束装置的研制和建立都比较缓慢，因而，无论在基础研究或应用方面与国外相比都还存在一定的差距。
1.2 高能粒子束表面改性技术的基本原理
（1）离子注入基本原理
在离子注入机中把各自所需的离子加速成具有几万甚至几百万电子伏特能量的载能束，并注入金属固体材料的表层，在其表层形成几微米的改性层，以此来提高基体材料的表面性能。
目前离子注入工艺已应用于许多部门，尤其是在工、模具制造业，效果突出。英国Rolls-Roycc股份有限公司为解决飞机发动机叶片材料的微粒磨损问题，曾比较了46种不同的表面处理工艺，最后选择了三种，其中之一就是离子注入新工艺。
（2）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
（4）离子束辅助沉积
离子束辅助沉积是一种将离子注入技术和物理气相沉积技术相结合的真空沉积技术。它是指在同一真空系统中，以离子束溅射沉积薄膜的同时，用几百电子伏特到几万电子伏特能量的离子束对其进行轰击利用沉积原子和注入离子之间的一系列物理化学作用，来增强膜层与基体的结合，改善膜层质量。与其他薄膜制备方法相比，采用这种方法能够或得附着力极好的薄膜。
正因为离子束辅助沉积的特殊作用和优点，使得该技术在合成新材料、制备功能膜方面得到了广泛的应用。目前，利用该技术可以稳定地合成立方氮化硼
（B
3N）、类金刚石薄膜（DLC）、TiN和Ti
2
N等多种优质膜层及陶瓷材料，尤其是
TiN和Ti
2
N膜层，性能优良，具有良好的耐磨性和减磨性。
（3）离子束混合及离子束反冲注入
1)离子束混合离子束混合就是将所需的几种元素交替地镀在集体上，
组成多层薄膜，每层约10nm厚，然后用加速器容易或得的单能量离子。
他的主要优点在于弥补了离子直接注入过程的不足。有研究指出，经
惰性气体Xe离子轰击预镀钯的纯钛表面，生成钯改性表面，明显地提
高钛在还原性酸中的耐腐蚀性能。
2)离子束反冲注入离子束反冲注入就是指将所需元素，特别是难于融
化的金属元素，经真空蒸发或离子溅射，在试样表面形成镀膜，然后
用惰性离子，如Xe+、Ar+、Kr+等轰击，将镀层原子撞击反冲到试样基
体中去，起到对所需元素进行间接注入的作用。有人利用Ar+溅射Ti
原子，使Ti沉积在钛表面，去得了很好效果。
（4）等离子体注入
等离子体球壳的形成
（5）离子注入的特点
注入的元素多且任意选取；无需改变材料的整体特性，就可有选择地改变材料的表面特性；注入或添加到基体中的原子不受基体固溶度的限制，不受扩散系数和化合结合力的影响；强流氮和强流金属离子束的束流强度可达5~50mA，提高了注入效率，适用于工业应用；离子注入不改变工件尺寸，适合于机密机械零件的表面处理；离子束增强沉积可或得厚度大于1μm的改性层或超硬层，适于恶劣条件下的应用；离子注入无废液处理等环境污染；离子注入由于采用电信号操作，可以比较准确地控制离子注入的深度和浓度，有较好的工艺一致性和重复性。
2 高能粒子束表面改性技术的发展
高能粒子束表面改性技术已在许多精密、关键、高附加值的模具和机械零件的生产中得到了广泛应用，并将继续开拓其应用领域。发展前景有以下几个方面：
（1）等离子体浸没离子注入（PⅢ）是当前表面改性技术的热点，以其设备结构简单、成本低、效率高、克服了束线离子注入（ⅠBⅡ）固有的视线限制，适用于处理体积较大、形状复杂的工件等优点而受社会各界密切关注。在PⅠⅡ过程中，探讨合理的
电磁场位形和高的磁过滤器传输效率而又不至对注入离子的能量和注入角度产生重
大的影响的途径是未来的发展方向。同时PⅠⅡ与M EV VA等离子体源技术相结合，形成了金属等离子体浸没离子注入技术，使等离子体注入种类由各种气态离子扩展
为几乎所有元素的离子，极大地扩展了PⅠⅡ技术的应用领域，取得很好效果。（2）随着计算机技术和信息技术的迅速发展，利用计算机进行辅助设计来实现离子束表面改性工艺的多样化；离子束表面改性技术向有效增加改性层厚度方向发展；材料
在远离平衡的状态下，其微观结构的形成、演化机理及规律研究；多元表面改性处
理时的成分控制。
2存在问题及解决方案
离子束表面改性技术存在的主要问题在于：沉积或注入时伴随产生微米级微粒，是影响膜层的结合力和光泽度。在电弧燃烧过程中，从阴极斑点处产生包含有金属离子、金属蒸汽、电子、宏观离子团（MPs Macro particles）等组成的电弧流。这些MPs主要是一些阴极材
料的液滴，它们如果达到机体表面，就会附着到上面，造出表面粗糙、性能不均匀。为了解决这个问题，主要从两方面入手:一是通过有效地冷却来避免阴极表面的长期过热；二是阻止MPs向工件的输送。例如：AKARIK采用直线型磁过滤器；KUEHNM等采用膝曲式磁过滤器；ANDERSS等采用900弧磁过滤器，并在弯管内壁上附加一系列挡板。这几种方法对MPs的过滤都比较有效。王广甫等发现，在磁过滤器管道上加正偏压，对提高传输效率大有益处，但偏压过高会造成真空弧的不稳定。南京航空航天大学再利用阴极电弧沉积技术制备类金刚石膜时，采用MPs过滤方法，并研究了挡板结构和数据对过滤情况的影响，此法的实际应用效果良好。
【参考文献】
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电子束加工
电子束加工技术及应用 电子束加工是特种加工中的一个重要分支，它是利用电子束的高密度能量对材料进行各种加工。电子束加工不仅是对材料的尺寸和形状进行加工，它还包括焊接、表面改性、镀膜、热处理、熔炼以及光刻等工艺过程。 电子束加工原理 电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流, 属于高能密度束流真空电子束的功率密度大于10∧6W /cm, 极限功率为300 kW。电子束加工是以高能电子束流作为热源, 对工件或材料实施特殊的加工, 是一种完全不同于传统 机械加工的新工艺, 其加工原理如图所示。 电子束加工装置：主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。了解电子束加工的结构是为了更好的的控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的，如果只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，进行电子光刻加工。如：电子束爆光可以用到电子束扫描，将聚焦到小于1um的电子束斑在大约0.5～5mm 的范围，可爆光出任意图形；甚至可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。 电子枪：是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。其中阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的正极，在飞向正极的过程中，经过加速，又通过电磁镜把电子束聚焦成很小的束流。发射阴极一般用纯钨或钽做成阴极。大大功率时用钽做成块状阴极。在电子束打孔装置中，电子枪阴极在工作过各中受到损耗，因此每过10～30 h就得进行定期更换。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的的强弱，以有初步的聚集作用。加速阳极通常接地，而在阴极加以很高的负电压以驱使电子加速。 真空系统：是为了保证在电子束加工时达到1.33x10-2～1.33x10-4Pa的真空度。因为只有在高真空时，电子才能高速运动。为了消除加工时的金属蒸气影响电子发射，使其不稳定现象，需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去。它一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两部分组成，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4～0.14Pa的初步真空度，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014～0.00014的高真空度。 控制系统：是由束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移的控制等组成。束流聚
表面改性技术在陶瓷材料中的应用
表面改性技术在陶瓷材料中的应用 引言: 材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段,材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一。传统的表面改性技术,方法有渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等。随着人们对材料表面重要性认识的提高,在传统的表面改性技术和方法的基础上,研究了许多用于改善材料表面性能的技术,主要包括两个方面:利用激光束或离子束的高能量在短时间内加热和熔化表面区域,从而形成一些异常的亚稳表面;离子注入或离子束混合技术把原子直接引进表面层中。陶瓷材料多具有离子键和共价键结构,键能高,原子间结合力强,表面自由能低,原子间距小,堆积致密,无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热性能、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明的特性。但陶瓷材料同样具有一些致命的弱点,如:塑性变形差,抗热震和抗疲劳性能差,对应力集中和裂纹敏感、质脆以及在高温环境中其强度、抗氧化性能等明显降低等。 正文: 一、陶瓷材料表面改性技术的应用 1.不同添加剂对陶瓷材料性能的影响。 由于陶瓷材料的耐高温特性经常被应用到高温环境中,特别是高温结构 陶瓷,其高温抗氧化性受到人们的关注。Si 3N 4 是一种强共价结合陶瓷,具有高 硬度、高强度、耐磨和耐腐蚀性好的性能。但是没有添加剂的Si 3N 4 几乎不 能烧结,陶瓷材料的高温强度强烈地受材料组成和显微结构的影响,而材料的显微结构特别是晶界相组成是受添加剂影响的,晶界相的组成对高温力学性能的影响极其敏感。对致密氮化硅而言,坯体中的物质传递对材料的氧化起着决定性作用,一般认为,在测试条件下,具有抛物线规律的氮化硅材料,其决定氧化的主要因素取决于晶界的添加剂离子和杂质离子的扩散速率,不同的添加剂对氮化硅陶瓷的氧化行为影响有所不同[1,2,3]。 2．离子注入技术。 离子注入就是用离子化粒子,经过加速和分离的高能量离子束作用于材料表面,使之产生一定厚度的注入层而改变其表面特性。可根据需要选择要注入的元素,并根据工艺条件控制注入元素的浓度分布和注入深度,形成所需要的过饱和固溶体、亚稳相和各种平衡相,以及一般冶金方法无法得到的合金相或金属间化合物,可直接获得马氏体硬化表面,得到所需要的表面结构和性能由于形成的改性表面不受热力学条件的限制(相平衡、固溶度),所以具有独特的优点。离子注入表面处理技术有:金属蒸汽真空弧离子源离子注入,等离子源注入等。在相同的条件下,重离子比轻离子有更强烈的辐射硬化,因此其对抗弯强度的增加更显著;由于单晶的表面缺陷少所以增加效果 更好]7,6[。
高能粒子束表面改性技术研究与发展
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表面改性技术
先进制造技术课程论文 论文题目：［高速齿轮表面改性工艺方法研究］ 系部：机械工程系 专业：机械制造与制动化 班级：机制103 学生姓名： 学号：100114314 2012年10 月10 日 摘要 齿轮表面改性技术对于齿面强化，延长齿轮的使用寿命和发展新型齿轮加工技术具有重要的意义．齿轮传动具有传动比准确，传递运动工作可靠，传动平稳效
率高，机构紧凑，使用寿命长等优点，在许多行业得到广泛使用．齿轮工作时的运动和受力情况非常复杂，由此产生的损伤形式多样，比较常见且对其能影响较严重的损伤有3种：断齿、破坏性胶合和破坏性点蚀_l ．因此，要求齿轮的整体具有高的弯曲疲劳强度，心部要求高的强度和冲击韧性，齿面要求高硬度、高耐磨性和一定的耐腐蚀性．德国权威机构曾对涉及各行各业的齿轮传动失效实例进行过调查研究，发现因齿轮表面失效而引起的齿轮传动副失的数量约占所调查对象总数的．因此，提高齿轮表面强度已成为提高齿轮传动副的可靠性和延长其使用寿命的有效途径．为了达到这一目的，必须对齿轮进行表面强化处理．除采用常规表面热处理手段外，日益成熟的各种表面强化新技术也获得了广泛应用．目前，齿轮表面强化处理技术主要有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属、激光表面强化、热喷涂等 关键字：齿轮表面改性现代表面技术 一、表面改性技术： 表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等） 表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。表面改性技术的研究和应用已有多年。70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。 表面改性的特点是： （1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。 （2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。 （3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。 （4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。 表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。 二、一般传统齿轮的处理方式 1、金属表面形变强化 喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种应用广泛的表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。 喷丸强化原理： （1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：
离子束加工原理
离子束加工原理 离子束加工（ion beam machining，IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。 因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。 2.离子束加工特点 加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。 在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。 加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。 3.离子束加工的应用范围 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 1）离子刻蚀 3.离子束加工的应用范围 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 1）离子刻蚀 当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时，材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等高精度图形。 2）离子溅射沉积 采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。 3）离子镀膜 离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa）， 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。4）离子注入 用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。 此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如
电子束加工技术及其应用
广东白云学院 先进制造技术论文 题目：电子束加工技术及其应用 专业：机械设计制造及其自动化（数控方向） 班级： 07数控本科 姓名：林华英 学号： 0701012229
摘要 (1) 引言 (1) 一.电子束技术在国内外的发展现状 (1) 多轴控制的基本概念： (2) 二.多轴控制特点 (2) 1、 5轴控制加工中心的加工特点： (2) 2、 6轴控制加工中心的加工特点： (3) 3、 6轴控制特点如下： (3) 三.发展趋向。 (3) 1、用5轴控制加工的NURBS插补 (3) 2、利用二次曲面头立铣刀作5轴控制加工 (4) 四.结论 (4) 五.参考文献 (4)
摘要 电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术,其在材料表面改性、机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束在表面工程、打孔和焊接等方面的应用。 关键词：电子束;加工原理;工业应用 引言 近年来,许多国家对电子束加工原理及方法进行了大量的实验研究,并在工业上得到一定的实际应用,使得该技术得到了飞速发展。本文主要针对电子束加工技术的研究现状和应用进行理论分析和探讨。 发展、 一.电子束技术在国内外的发展现状 1948 年 ,德国物理学家Steigerwald K. H 发明了第一台电子束加工设备 (主要用于焊接) 。1949年 ,德国首次利用电子束在厚度为0. 5mm 的不锈钢板上加工出直径为<0. 2mm 的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起人们广泛重视。 20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求，扫描电子束曝光机研制成功，并在20世纪70年代进入市场 ,使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于 0. 5 μm。 近年来，国外对电子束焊接及其他电子束加工技术的研究主要在于以下几个方面：1）完善超高能密度电热源装置；2）掌握电子束品质及与材料的交换行为特性，改进加工工艺技术；3）通过计算机CNC控制提高设备柔性以扩大应用领域。 我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺，经过多年的实践，在该领域也取得了一定成果。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，采用电子束对材料表面进行照射，研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料，深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律，进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制，通过载能电子与固体表面的相互作用过程，建立较为合理的实际加工中的物理模型，利用二维模型数值计算方法模拟计算试样
材料表面改性方法
材料表面改性方法 材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。 现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能，实现新的工程应用。现代材料表面改性技术就是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学的知识,对产品或材料进行处理，赋予材料表面减磨、耐磨、耐蚀、耐热、隔热、抗氧化、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术。 分类： 1、传统的表面改性技术： 表面热处理：通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。 表面渗碳：面渗碳处理:将含碳(0.1~0.25)的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的M,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的M,M的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能. 2、60年代以来：传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热 高频加热设备是采用磁场感应涡流加热原理，利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内磁力线通过金属材质时，使锅炉体本身自行高速发热，然后再加热物质，并且能在短时间内达到令人满意的温度。 3、70年代以来： 化学镀：是指在不用外加电流的情况下,在同一溶液中使用还原剂使金属离子在具有催化活性的表面上沉积出金属镀层的方法。 4、近30年来： 热喷涂：热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备
硅化物涂层电子束重熔表面改性技术
中国空间科学技术 2010年10月 Chinese Space Science and T echnology 第 5 期 硅化物涂层电子束重熔表面改性技术 于斌 靳庆臣 刘志栋 何俊 (兰州物理研究所,兰州730000) 摘要在Nb521铌合金表面采用料浆烧结法制备硅化物涂层,利用高频扫描电子束对硅化物涂层进行重熔处理,通过扫描电子显微镜对处理样品表面形貌进行组织结构分析。 研究表明,经过电子束重熔处理,硅化物涂层表面陶瓷晶粒粒度降低,表面粗糙度降低,陶瓷颗粒之间烧结作用增强,重熔区域与未处理区域具有明显的边界,电子束能量分布较均匀,电子束重熔提高了硅化物涂层的抗氧化性能和抗热震性能。 关键词电子束重熔 表面粗糙度抗氧化性能 形貌 硅化物涂层 卫星 1 引言 铌是一种难熔金属,由于其在高温下有较好的力学性能而被广泛地应用于航空、航天等领域,但是铌合金的氧化行为使其应用受到限制[1]。硅化物涂层作为铌合金的高温保护涂层,在高温氧化时,涂层表面形成一层玻璃态氧化物膜,延长涂层的高温使用寿命,在高温氧化过程中,熔融态硅化物可以封闭涂层中的裂纹。这一现象受到学者们的广泛关注,并开展了进一步提高硅化物涂层的抗氧化性能的研究[2]。 涂层的电子束重熔可以改善涂层组织及提高性能[3]。Weisenbur ge对镍基合金表面CoNiCrAlY 涂层进行了电子束重熔研究,处理后超音速火焰喷涂涂层和真空等离子喷涂涂层表面粗糙度分别由62 m和47 m下降至3 7 m和8 m,近表层30~40 m厚度范围内气孔被彻底消除,高温氧化试验涂层氧化膜增长速率降低[4]。H am atani对CoCrW合金表面应用高速火焰热喷涂法制备的NiCrFeSi涂层进行电子束重熔研究,指出涂层气孔数量、表面粗糙度和涂层/基体界面粘结强度是优化电子束改性工艺参数的标准[5]。U tu研究了电子束重熔对高速火焰热喷涂方法制备的CoNiCrAlY涂层耐腐蚀性能的影响,电子束重熔技术可以显著降低涂层气孔和氧化物含量,涂层耐腐蚀性能有较大程度的提高[6]。 目前,星用发动机材料多为以硅化物体为抗氧化涂层的铌合金,因此,延长硅化物涂层的抗氧化寿命是卫星长寿命发展的需求,为此作者研究了电子束重熔对铌合金表面硅化物涂层的表面形貌和性能的影响。 2 试验方法 试验用基体材料为铌合金,利用烧结方法制备硅化物涂层,涂层试样尺寸为50mm 12m m 3m m,试验设备是法国T ECH M ET A公司生产的6kW电子束焊机。首先进行电子束扫描波形的设计,然后利用该波形的电子束对硅化物涂层进行重熔处理;通过工作台的移动实现电子束对试验样品表面的垂直辐照,在真空条件下,利用优化的工艺参数进行涂层单道电子束重熔改性处理。工艺参数见表1。利用JSM 5500扫描电镜分析重熔涂层表面组织形貌。 收稿日期:2009 11 03。收修改稿日期:2010 03 16
表面改性技术综述
表面改性技术综述 表面改性是指采用某种工艺和手段使材料获得与其基体材料的组织结构性能不同的一种技术。材料经过改性处理之后，既能发挥材料基体的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能，如耐磨，耐腐蚀，耐高温，合适的射线吸收等。 金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途, 其种类繁多。除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外, 近些年还快速发展了激光、电子和离子等高能束表面处理技术。今后, 随着物理学、材料学等相关学科的迅速发展, 还将不断涌现出新的表面改性技术。尤其是复合表面技术的发展, 有可能获得意想不到的效果。金属表面改性技术的飞速发展和不断创新, 将进一步推动其在工农业生产中的应用, 带来显著的经济效益。 传统的表面改性技术有：表面形变强化、表面热处理、表面化学热处理、离子束表面扩渗处理、高能束表面处理、离子注入表面改性等。 1、喷丸强化 喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法, 是将弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成的。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校正、喷丸强化等方面。喷丸强化又称受控喷丸, 不同于一般的喷丸工艺, 要求喷丸过程中严格控制工艺参数, 使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场, 从而大幅度提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。实施喷丸时, 弹丸由专用的喷丸机籍助压缩空气、高压水流或叶轮, 高速射向零件受喷部位。常用弹丸有球形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制成的弹丸。喷丸强化的效果用喷丸强度来表示, 与弹丸种类和形状、碰撞速度和密度、喷射方位和距离、喷丸时间等因素有关。表面喷丸提高金属材料疲劳强度的机理比较复杂, 涉及到塑性变形层(通常为011～018mm 厚) 的组织结构变化(如位错密度、亚晶粒尺寸) 和残余应力的变化。因此, 只有合理控制表面变形层内的变化, 才可能获得预期的喷丸强化效果。 早在20 世纪20 年代, 喷丸强化就应用于汽车工业。目前已成为机械制造等工业部门的一种重要的表面技术, 应用广泛。涉及的材料除普通钢外,还有高强度钢和各种有色金属; 涉及的零件类型有弹簧、轴、齿轮、连杆、叶片、涡轮盘和飞机起落架组成件等。 2、传统表面热处理改性 传统的表面热处理技术可分为表面淬火和化学热处理两大类。它主要用来提高钢件的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。在机械设备中, 许多零件(如齿轮轴、活塞销、曲轴等) 是在冲击载荷及表面磨损条件下工作的。这类零件表面应具有高的硬度和耐磨性, 而心部应具有足够的塑性和韧性。因此, 为满足其使用性能要求, 应进行表面热处理。 ○1表面淬火 表面淬火是把零件的表层迅速加热到淬火温度后快冷, 使零件表面层获得淬火马氏体而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。表面淬火的目的是使零件获得高硬度的表层, 以提高工件的耐磨性和疲劳性能, 而心部仍具有较好的韧性。其设备简单、方法简便, 广泛用于钢铁零件。根据加热方法的不同, 可分之为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。火焰加热表面淬火的淬透层一般为2 -6mm。其特点是设备简单, 但加热温度高及淬硬层不易控制, 淬火质量不稳定, 使用上有局限性。感应加热表面淬火的特点是: 加热速度快, 零件变形小, 生产效率高, 淬火后表面能获得优良的机械性能; 淬透层易控制, 淬火操作易实现机械化。但设备较贵, 形状复杂零件的感应器不易制造, 不宜单件生产。 ○2化学热处理 化学热处理是将金属零件放在某种介质中加热、保温、冷却, 使介质中的某些元素渗入
材料表面技术16
1.表面技术概念：广义：是直接与各种表面现象或过程有关的，是能为人类造福或被人类利用的技术；通过物理、化学或机械以及复合方法，使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而赋予表面与基体不同的性能； 通过物理、化学或机械以及复合方法，使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而赋予表面与基体不同的性能； 2.按照作用原理分类（matton分类）： （1）原子沉积：以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度沉积在基体表面上，如电镀，化学镀，PVD，CVD等； （2）颗粒沉积：以宏观尺度形态在基体上形成覆盖层，如热喷涂，冷喷涂，或搪瓷涂层；（3）整体覆盖：沉积材料同一时间整体涂覆在基体上，如热浸镀，涂装，堆焊和包箔等；（4）表面改性：用物理、化学、机械等方法改变材料表面形貌，化学成分，组织结构和应力状态灯，如喷丸，喷砂，化学热处理； 3.基体表面预处理： 概念：用物理、化学方法除去基体表面的油污，氧化皮及其它污染物，使基体表面呈现出一定的粗糙度和清洁度； 前处理包括：（1）表面整平：使表面平整，光滑，达到要求的粗糙度，抛光，磨光，滚光；（2）除油（脱脂）：有机除油，化学法，电化学法； （3）除锈（酸洗）：化学、电化学； （4）弱腐蚀（活化）：电镀、化学镀，除去表面钝化膜，露出新鲜晶格组织稀酸稀碱中处理； 4.喷砂：定义：利用压缩空气把磨料高速喷到零件表面，对其清理的方法。钢砂，石英砂，氧化铝，碳化硅； 应用范围：（1）可清除热处理件（锻件、铸件）表面氧化皮，型砂； （2）可除去工件表面毛刺，锈蚀，油污； （3）对于不宜用酸洗除氧化皮工件，可用喷砂代替； （4）对于某些表面技术，如热喷涂，涂装，可用喷砂产生一定粗糙度，产生“锚固效应”；喷丸：与喷砂原理和设备类似，只是采用的磨料不同， 应用范围：①是零件产生压应力，从而提高零件的疲劳强度和抗应力及抗腐蚀能力。②代替一般冷热成型工艺，可对大型薄壁铝制零件进行成型加工，这样可避免零件表面残留的张应力而形成有利的压应力。③对扭曲的薄壁零件进行校正，经喷丸后的零件使用温度不能太高，以防消除喷丸产生的压应力，使用温度范围因材料而定，一般钢铁件为260-290℃，铝零件为170℃。 5.覆盖能力：使工件最凹处沉积上金属的能力； 均镀（分散）能力：使金属镀层厚度均匀分布的能力； 分散能力好，深度能力肯定好；深度能力好，均镀能力不一定好； 电流效率：电极上实际析出（溶解）物质的质量与理论计算得到的析出（溶解）物质的质量的比； 6.电镀：指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法； 使电镀分散能力强措施：工件形状越简单越好，加入络合剂，提高溶液导电性，加入导电盐，离阳极距离远一些，可以使镀层分散能力更好； 7.阴极极化：当电流通过电极时，电极电位会偏离平衡电极电位，随电流密度增加电极电位不断变负，即阴极极化； 电化学极化：由于阴极上电化学反应速度小于外电源供给电极电子的速度，从而使电极电位向负的方向移动而引起的极化作用；
电子束加工技术
一、简介 电子束加工技术原理[1]：电子束加工利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。电子束曝光则是一种利用电子束辐射效应的加工方法。 作为加热工具，电子束的特点是功率高和功率密度大，能在瞬间把能量传给工件，电子束的参数和位置可以精确和迅速地调节，能用计算机控制并在无污染的真空中进行加工。根据电子束功率密度和电子束与材料作用时间的不同，可以完成各种不同的加工。 电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航空、航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。 近年来，随着电磁场控制技术的发展，并结合电子束在磁场中易控的特点，开发了一种新型的电子束加工方法——快速扫描电子束加工技术。这种通过电磁场的控制实现电子束的快速偏转扫描的方法越来越显出其技术的优势，在航空航天制造领域中获得了广泛的应用。 二、电子束加工技术的原理 电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。 电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。 按照电子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热效应和电子束化学效应[2]。电子束热效应是将电子束的动能在材料表面转化成热能，以实
电子束加工的发展与应用
电子束加工的发展与应用 摘要；电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术。利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。电子束加工它在精密微细方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束的原理，发展与应用。 关键词：电子束电离效应材料加工 0 引言 电子束加工利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。所以电子束加工应用方面非常广泛，是一种不可或缺的加工方法。 1 电子束加工的原理 1.1电子束原理 电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化，被真空系统抽走。电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。电子束加工是以高能电子束流作为热源,对工件或材料实施特殊的加工,是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。 2 电子束加工的发展 2.1电子束世界发展 电子束加工技术起源于德国。德国物理学家1948年发明了第一台电子束加工设备(主要用于焊、接)．1949年,德国首次利用电子束在厚度为0.5mm的不锈钢板上加工出直径为小于0.2mm的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起人们广泛重视。20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中,促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求,扫描电子束曝光机研制成功。经过几十年的发展，目前全世界已有几千台设备在核工、业，航空宇航工业及重型机械等工业部门应用。世界上电子束加工技术较先进的国家是德国、日母、美国、独联体以及法国等。 2.2 电子束我国发展 我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺,经过多年的实践,在该领域也取得了一定成果。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,采用电子束对材料表面进行照射,研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料,深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律,进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制,通过载能电子与固体表面的相互作
国内外激光和电子束表面改性技术发展
材料表面改性目的和意义 材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。 现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能，实现新的工程应用。 因此，现代材料表面改性一是可以使材料表面获得更好的表面特性，有效地延长零件使用寿命；二是可以用性能较差的合金钢代替优质合金钢，以节省优质合金钢材料；三是可以研制出新颖材料。这种多功能综合化，用于提高材料表面性能的各种现代表面改性技术统称为现代表面改性技术。现代表面改性技术适用于金属及其合金、陶瓷、玻璃、聚合物及半导体材料等多种现代材料。 现代材料表面改性技术的发展 现代材料表面改性技术是一门由多种学科发展而来的技术组合，其发展经历了很长，很复杂的过程。 传统的表面改性技术，如表面热处理、表面渗碳等已有上百年的历史了。上世纪50年代高分子涂装技术有了非常大的发展，由古老的刷涂、空气喷涂发展为静电喷涂、流化床涂装、电泳涂装及静电涂装。 60年代以来，传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热。后来，激光器与电子束装置的应用，出现了激光束、电子束的淬火技术。 电镀是一门古老的表面改性技术，相当长时间，电镀只能镀覆纯金属模，目前已能镀覆多种合金，也可以在表面上镀陶瓷和金刚石粉末，以增加表面的抗磨性。70年代以来，化学镀有了很大的发展，它已成为一个有效的镀覆手段。 近30年来，热喷涂得到了迅速的发展，国内外形成了一种热喷涂技术热，使它在多种工业部门得到了广泛应用，而且发展出多种类型的热喷涂技术。 激光束、电子束成功地应用于现代材料表面改性，出现了如激光表面涂敷、激光表面合金化、激光表面淬火、电子束表面淬火、表面镀膜等等多种现代材料表面改性技术。 激光表面改性 激光束的能量密度非常高，因而当它照射在物体表面时能够产生106~108K/cm非常高的温度梯度，使表面迅速熔化。移去热源时，冷的基体又会使熔化部分以109~1011K/s 的速度冷却，使表面迅速凝固。由于激光的这种特性，它可用于材料的激光相变、激光表面合金化与激光熔覆处理，提高材料表面的硬度、抗磨性、抗蚀性。 激光束与金属的相互作用 1.金属对激光的吸收 激光束照射金属时，激光束能量会很快转变为金属晶格的动能，从而使金属表层迅速熔化，激光束部分能量被吸收，部分能量被反射。金属对激光的吸收因金属而异，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，表面杂质和氧化物会使反射率急剧变化。 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看作是一种表面热源，在表面层光能变为热能，此后，热能按热传导规律向金属深处传导。表6.6给出了某些金属对Y AG和CO2激光的反射率。 表6.6某些金属对Y AG和CO2激光的反射率
(完整版)材料表面改性习题整理答案
第六章热喷涂、喷焊与堆焊技术 1.什么是热喷涂？根据所使用的热源不同，可以将热喷涂工艺分为哪两大类？热喷涂：采用各种热源将涂层材料加热熔化或半熔化，高速气体将其雾化，并在高速气流的带动下雾化粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。喷焊是用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。 堆焊技术是将具有一定使用性能的材料（线材或焊条）借助一定的热源手段熔覆在基材表面，使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。 2.热喷涂技术的特点是什么？局限性是什么？ 热喷涂的技术特点：可在各种基材上制备各种涂层；基材温度低（30～200℃），热影响区浅，变形小；涂层厚度范围宽（0.5～5mm）；喷涂效率高，成本低； 操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂； 局限性：加热效率低，喷涂材料利用率低，涂层与基体结合强度低。 3.热喷涂涂层的结构是什么？如何改善涂层结构？ 涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式一层一层堆叠而成的层状结构。涂层中伴有氧化物等夹杂、未熔化的球形颗粒，并存在部分孔隙，孔隙率0.025％－50％。 改善涂层结构的方法(1)选用高温热源(如激光热源、等离子弧)、超音速喷涂、以及保护气氛或低压下喷涂，都可以减少涂层中的氧化物夹杂和气孔，改善涂层的结构和性能。(2)喷涂层的结构还可以通过重熔处理来改善，涂层中的氧化物夹杂和孔隙会在重熔中消除，涂层的层状结构会变成均质结构，与基体的结合强度也会提高。 4.对热喷涂材料有什么要求？ (1)热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解。 (2)较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。 (3)与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。 (4)喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的润湿性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。 (5)粉末固态流动性好，保证送粉的均匀性。 5.热喷涂涂层与基体的结合机理是什么？ 一般认为在涂层与基体之间机械结合起主要作用，即熔融态的粒子撞击到基材表面凹凸不平处，铺展成扁平状的液态薄层，这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片，在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。同时，其它几种结合机理（扩散、冶金、物理结合)也在不同程度地起作用，其程度受粉末的成分、表面状态、温度、热物理性能等因素的影响。 6.热喷涂的工艺流程。
电子束加工技术
电子束加工技术 摘要 电子束的发现至今已有100多年，早在1879年Sir William Crookes发现在阴极射线管中的铂阳极因被阴极射线轰击而熔化的现象。接着到上世纪初的1907年，Marcello Von Pirani进一步发现了电子束作为高能量密度热然的可能性，第一次用电子束做了熔化金属的实验，成功地熔炼了钽。电子束加工它在精密微细方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。电子束加工主要用于打孔、焊接等的精加工和电子束光刻化学加工。 关键词：电子束；原理；特点；组成；应用 1引言 电子束加工利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。电子束曝光则是一种利用电子束辐射效应的加工方法。 电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航空、航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。 2电子束加工技术的原理 电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高（106~109w/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微妙）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化，被真空系统抽走。 电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，
电子束表面处理的研究进展
电子束表面处理的研究进展3 赵铁钧1,2,田小梅1,高 波1,涂赣峰1 (1 东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;2 沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳110168) 摘要 强流脉冲电子束是近几十年发展起来的一种新兴的表面处理技术。在介绍电子束表面处理工艺特点的基础上,重点论述了电子束表面处理技术中表面相变强化、表面重熔、表面合金化、表面非晶化、表面薄层退火等工艺方法及最近研究进展,提出怎样扩大强流脉冲电子束应用范围是研究重点之一。 关键词 电子束 表面处理 进展 中图分类号:T G174.4 文献标识码:A Research Develop ment of Elect ron Beam Surface Treat ment ZHAO Tiejun 1,2,TIAN Xiaomei 1,GAO Bo 1,TU Ganfeng 1 (1 School of Materials and Metallurgy ,Northeastern University ,Shenyang 110004;2 School of Materials Science and Engineering ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110168) Abstract High current pulsed electron beam (HCPEB )has been developed intensively as a new high 2power ener 2getic beam used for the surface modification of materials in the last few decades.Based on the introduction of characteris 2tics of electron beam applied in surface treatment ,research progress in electron beam technologies ,such as phase transformation strengthening ,surface remelting ,surface alloying ,surface amorphous transformation ,and thin layer an 2nealing ,is discussed in this paper.How to widen the application scale of HCPEB is an important research direction. K ey w ords electron beam ,surface treatment ,development 3中国博士后科学基金(No.20060390971);辽宁省“百千万人才工程”项目(No.2008921028) 赵铁钧:男,1972年生,博士生,主要从事材料表面处理的研究 高波:联系人 E 2mail :surfgao @https://www.360docs.net/doc/3914244569.html, 0 引言 随着经济和科学技术的迅速发展,人们对各种产品抵御 环境作用的能力和长期运行的可靠性、稳定性提出了更高的要求。材料的失效如磨损、腐蚀、疲劳等一般从表面开始,在许多情况下,构件、零部件的性能和质量主要取决于材料表面的性能和质量,因此通过改善材料表面及近表面区的形态、化学成分、组织结构以提高材料性能的表面改性技术近年来得到了迅速发展,尤其是激光束、电子束和离子束技术在表面工程中的应用得到了显著提高,使得高能束流表面处理技术的研究及应用受到了人们的广泛关注[1-4]。本文主要就电子束表面改性技术的特点及近年的研究进展进行简要阐述。 1 电子束表面改性技术的特点 电子束表面改性开始于20世纪70年代,其特点主要是利用高能电子束的热源作用使材料表面温度迅速升高,表层成分和组织结构发生变化,进而提高材料表面硬度,增强耐磨性,改善耐腐蚀性能,从而延长处理件的服役寿命。其主要优点是设备功率大、能量利用率高、加热和冷却速度快、定位准确、参数易于调节。 俄罗斯TOMS K 研究所的Markov 等与德国、日本合作, 致力于脉冲电子束系统电物理特性原理探讨、技术改造及电子束与各种材料相互作用特性研究。他们的研究工作极大地促进了强流脉冲电子束在金属及非金属材料表面处理中的应用。国内在电子束表面改性方面的研究主要有:大连理工大学、沈阳理工大学先后从俄罗斯TOMS K 强电流研究所引进相关设备,开始了强流脉冲电子束在金属材料表面改性中的研究;北京航空航天大学江兴流教授课题组在国家自然科学基金的支持下自行研制开发出了多极板纳秒赝火花强脉冲粒子束(电子与离子束)装置[5],开展了大量赝火花脉冲电子束铁电薄膜制备等的研究[6-9]。 2 电子束表面处理的研究现状及进展 通过控制电子束处理参数以及不同的处理工艺,可以达到不同的表面改性效果。可将目前的电子束表面改性技术分为以下几种类型:电子束表面相变强化、电子束表面重熔处理、电子束表面合金化、电子束表面熔敷、电子束表面非晶化处理、电子束表面薄层退火。下面将分别就这几种技术展开论述。 2.1 电子束表面相变强化 电子束表面相变强化主要针对有相变(主要是马氏体相 变)过程的合金,电子束加热温度超过相变温度但未及熔点温度,其工艺过程关键是控制电子束加热金属工件表面时电 ? 98?电子束表面处理的研究进展/赵铁钧等