高能束表面改性技术ppt课件

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离子束和电子束的不同
高速电子在撞击材料时，质量小速度大，
动能几乎全部转化为热能，使材料局部熔化、 气化。它主要通过热效应完成。
而离子本身质量较大，惯性大，撞击材料
时产生了溅射效应和注入效应，引起变形、 分离、破坏等机械作用和向基体材料扩散， 形成化合物产生复合、激活的化学作用。这 种处理称为离子束表面改性。
2、
高能束表面改性是靠束流作用在金属表面 上，对金属进行加热，属非接触式加热， 没有机械应力作用。
由于高能束加热速度和冷却速度都很快， 而且束斑小，被处理材料周围热影响区极 小、热应力极小，因此工件变形也小。
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3、
高能束加热的面积可根据需要任意选择， 一般大面积处理，可采用高能束叠加扫 描方法。所获得的最小加热面积取决于 高能束聚焦后的最小光斑。
由于高能束加热速度快，奥氏体长大及碳原 子和合金原子的扩散受到抑制，可获得细化 和超细化的金属表面。
高能束表面改性是靠工件自身冷却淬火，它 不需要任何冷却介质。因此处理环境清洁， 无污染。
§12.1.2 高能束表面改性的类型
一、按高能束束流特征分类
按目前高能束的工业应用和发展状况，分为激光 束、电子束和离子束。
第12章 高能束表面改性技术
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第12章 高能束表面改性技术
§12.1 §12.2 §12.3 §12.4
概论 激光表面改性技术 电子束表面改性 离子束表面改性
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§12.1 概论
§12.1.1 高能束表面改性的定义和特点
当高能束发生器输出功率密度达到103W／ cm2以上的能束，定向作用在金属表面，使 其产生物理、化学或相结构转变，从而达 到表面改性的目的，这种处理方式称为高 能束表面改性。
之一秒内升高到摄氏几千度以上，当热量还没有来
得及传导扩散时，就可把局部材料瞬时熔化、气化
及蒸发。这种处理为电子束表面改性。
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离子束和电子束基本类似，
也是在真空条件下将离子源产生的离子束经 过加速、聚焦、使之作用在材料表面。
所不同的是，除离子与负电子的电荷相反带 正电荷外，主要是离子的质量比电子要大千 万倍。例如，氢离子的质量是电子的7.2万 倍。由于质量较大，故在同样的电场中加速 较慢，速度较低；但一旦加速到较高速度时， 离子束比电子束具有更大的能量。
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§12.2.3 激光表面改性技术
激光表面改性包含多种工艺：
激光相变硬化（淬火）； 激光熔凝； 激光熔覆和合金化； 激光非晶化和微晶化； 激光冲击硬化等。 它们各自的特点如表12－3所示。
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各种激光表面改性工艺的特点
工艺方法 激光淬火
功率密度（W／ cm2）
104～105
冷却速度 （℃/s）
二、按相变类型分类
激光束、电子束、离子束作为一种高能密度 的热源，作用在金属表面所产生的相变、熔 化、气化效应是一致的。
通常将高能束表面改性分为：高能束相变硬 化处理、高能束熔敷(也称涂覆或溶覆)处理、 高能束合金化、高能束非晶化、高能束冲击 硬化以及高能束气相沉积等。
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§12.2 激光表面改性技术
104～105
激光合金化
104～106
104～105
激光熔覆
104～106
104～106
激光非晶化
106～1010
106～1010
激光冲击硬 化
109～1012
104～106
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作0.2～1
0.01～0.1
0.02～0.2
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一、激光相变硬化（激光淬火）
1、 激光相变硬化原理
激 光 (Laser) 的 英 文 全 称 为 ： light
amplification by stimulated emission of radiation的简称。其含义是受激发射的光放大。 用这种光束对材料进行辐射时，可使材料表面的 温度瞬时上升至相变点、熔点甚至沸点以上，从 而使材料表面产生一系列物理的或化学的现象。 这种处理方法称为激光束表面改性。
因此、可以应用在尺寸很小的工件或工 件中凹陷部分，盲孔的底部等用普通加 热方法难以实现的特殊部位。
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4、高能束加热的可控性能好，通过磁场或电场
信号对激光束、电子束、离子束的强度、位置、 聚焦等参数可用计算机精确控制，便于实现自动 化处理。
5、
高能束热源，尤其是激光束可以远距离传输
或通过真空室对特种放射性或易氧化材料进行表
面处理。对激光束、电子束而言、高能束表面改
性金属表面将会产生200～800MPa的残余压应力，
从而大大提高了金属表面的疲劳强度。
6、由于高能束作用面积小，金属本身的
热容量足以使被处理的表面骤冷，其冷却速 度高达104℃/s以上。保证完成马氏体的转变；
在急冷条件下,可抑制碳化物的析出，从而 减少脆性相的影响。并能获得隐晶马氏体组 织。
激光相变硬化是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。
因此高能束表面改性时允许金属表面温度在熔化 温度和相变Ac1点之间变化，尽管过热度较大，而 不致发生过热或过烧现象。
激光束、电子束、离子束经过聚焦后作用在金属 表面上的特征几乎完全相同。例如高能束作用在 金属表面，其过热度和过冷度均大于常规热处理， 因此表面硬度也高于常规处理5～10HRC。
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电子束是一种高能量密度的热源
电子束被高压电场加速而获得很高的动能，再在磁 场聚焦下成为高能密度电子束。
当它以极高的速度冲击到材料表面极小面积上时， 其能量大部分转变为热能。这样便可把大于千瓦级 的能量集中到直径为几微米的点内，从而获得高达 109W/cm2左右的功率密度。
如此高的功率密度，可使被冲击部分的材料在几分
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归纳起来，高能束表面改性的 共同特点是：
1、高能束热源作用在材料表面上的
功率密度高、作用时间极其短暂，即 加热速度快、冷却速度亦快，处理效 率高。
高能束表面改性的加热速度在理论上 讲可以达到1012℃/s。
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当高能束加热金属时，加热速 度高达5×103℃/s以上
在如此高的加热速度下，金属共析转变温度在Ac1 点上升100℃以上。