第五章 高能束表面改性
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高能束表面处理
2. 泵浦光源 (guāngyuán )
3. 聚光腔 4. 谐振腔 5. 冷却
精品资料
（1）红宝石（Cr3+：Al2O3)激光器
1960-5-17，Ted Maiman 发明(fāmíng)第一台激光器
精品资料
梅曼正在(zhèngzài)演示他的第 一只红宝石激光器
第一台红宝石激光器原理图
精品资料
l 掺杂(chān zá)材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+， Sm2+，Er2+）
l
过渡金属（Cr3+，Ni3+）
精品资料
固体(gùtǐ)激光器的特 点
能量大，峰值功率高 结构紧凑、牢固(láogù)耐用 连续输出功率不如气体激光器
精品资料
固体(gùtǐ)激光器基本结构
1. 固体激光工作 物质
精品资料
E2 四能级 E2 四能级 三能级
Nd-YAG激光器的特性(tèxìng)
1. 连续或脉冲工作方式
2. 脉冲频率：10-100Hz
3. 连续功率输出：10-100w
Hale Waihona Puke 4. 脉冲输出功率：50mJ—10J
5. 波长: 1.06um，采用非线性晶体倍频(bèi pín)，可实现
6.
二倍频(bèi pín)：532nm
按谐振腔：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器折叠腔激光 器等
精品资料
根据工作(gōngzuò) 物质分类
固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃
气体激光器
：He—Ne，CO2，离子激光器
液体激光器
：染料激光器
半导体激光器
：同质结，异质(yì zhì)结，量子 阱
3. 聚光腔 4. 谐振腔 5. 冷却
精品资料
（1）红宝石（Cr3+：Al2O3)激光器
1960-5-17，Ted Maiman 发明(fāmíng)第一台激光器
精品资料
梅曼正在(zhèngzài)演示他的第 一只红宝石激光器
第一台红宝石激光器原理图
精品资料
l 掺杂(chān zá)材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+， Sm2+，Er2+）
l
过渡金属（Cr3+，Ni3+）
精品资料
固体(gùtǐ)激光器的特 点
能量大，峰值功率高 结构紧凑、牢固(láogù)耐用 连续输出功率不如气体激光器
精品资料
固体(gùtǐ)激光器基本结构
1. 固体激光工作 物质
精品资料
E2 四能级 E2 四能级 三能级
Nd-YAG激光器的特性(tèxìng)
1. 连续或脉冲工作方式
2. 脉冲频率：10-100Hz
3. 连续功率输出：10-100w
Hale Waihona Puke 4. 脉冲输出功率：50mJ—10J
5. 波长: 1.06um，采用非线性晶体倍频(bèi pín)，可实现
6.
二倍频(bèi pín)：532nm
按谐振腔：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器折叠腔激光 器等
精品资料
根据工作(gōngzuò) 物质分类
固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃
气体激光器
：He—Ne，CO2，离子激光器
液体激光器
：染料激光器
半导体激光器
：同质结，异质(yì zhì)结，量子 阱
表面工程学-第四章 高能束表面改性
304不锈钢 5052铝 Ti合金
1.4 激光表面熔覆
一、原理 相变硬化： 表面不熔 表面合金化：粉末全熔，基体有较深熔化，两者全部混合 激光熔覆： 粉末全熔，基体表面微熔， → 结合力↑↑ 二、激光熔覆粉末提供方式
(a) 预置涂层法 (b) 同步送粉法 预置粉末方式有粘结剂预涂覆、火焰喷涂、等离子喷涂、电镀等
二、离子注入定义 离子注入技术是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有 几万到几十万电子伏特的高能离子束后注入到固体材料表面， 形成特殊物理、化学或机械性能表面改性层 三、工艺过程 ⑴ 离化→气体，在高温灯丝加速电子的作用下离化。 简单 →金属，先蒸发成原子，然后离化。 复杂 ⑵ 分离→磁分析器从离子源产生的正离子中筛选出所需的离子 ⑶ 加速→加速器将筛选出的正离子加速到所需的能量 ⑷ 聚焦→利用四极透镜系统将离子束进行聚焦 ⑸ 注入→聚焦后的离子束高速注入靶面（工件表面）
四、离子注入材料表面的强化机理
(1)固溶强化效应 依据注入原子的种类及其与基材原子直径比值大小差别，离子注入层的固溶 强化机理有间隙固溶强化与替位固溶强化。 (2)晶粒细化效应 离子注入层的晶粒尺寸较离子注入之前大幅度减少。因此注入层的硬度与强 度也将大幅度提高。 (3)晶格损伤效应 高能量离子注入金属表面后，使晶格大量损伤，产生大量空位和高密度位错。 当注入的离子是C、N、B等轻元素时，会钉扎位错产生强化效应。 (4)弥散强化效应 离子注入会使靶材升温，特别是 N，B，C 会与金属形成 ’ -Fe4N, -Fe3N, CrN, TiN等氮化物，Be2B等硼化物和 TiC等碳化物，并弥散分布，使基 体强化。 (5) 压应力效应 离子注入能把20~50%的材料加入近表面区，使表面成为压缩状态。压缩应 力能填实表面裂纹，阻碍微粒从表面剥落，从而提高抗磨损及抗疲劳能 力。
特种加工技术高能束加工
空气
的
钴基合金
2.5
有
石英
3
关
陶瓷
1
数
4.6
据
玻璃钢
1.5 2.7
有机玻璃
20
25
0.35 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15
500 500 250 250 250 250 250 8000
O2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 空气
木材（软）
25
木材（硬）
固体激光器的基本结构如图 1）激光工作物质 2）谐振腔 3）光泵浦灯 4）聚光腔
图5-4 固体激光器的基本结构
固体激光器
1）工作物质： 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要
取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2）谐振腔：
是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由 两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射 率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输 出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3）泵浦灯：
和液态物质喷射。
孔。
器和半导体泵浦激光器等。
激光切割
原理：与激 光打孔原理 基本相同， 不同之处在 于激光切割 时激光束与 工件材料需 相对移动， 最终使材料 形成宽度很 窄的切缝， 切缝处的熔 渣被一定的 辅助气体吹 除。
特点：
应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应
1）无工具磨损。 用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模
25
2
2000
N2
1
2000
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）。
表面工程 第五章 表面涂层技术
5.1 表面涂装
材料科学与工程学院
表面改性技术
材料科学与工程学院
表面改性技术
5.1 表面涂装
材料科学与工程学院
表面改性技术
溶剂挥发类： 涂料在成膜过程中不发生化学反应，只
是溶剂挥发使涂料干燥成膜，一般为自然干燥型涂料， 容易重新涂装。
固化干燥类： 成膜物质一般是相对分子质量较低的线
性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装、溶剂挥发
材料科学与工程学院
表面改性技术
工件表面准备：洁净、粗糙、新鲜，酸洗或喷砂除氧 化皮，有机溶剂或碱水除污，车削、磨削、喷砂粗糙 预热：提高工件与熔滴接触温度，有利于咬合；降低 冷却速度（应力）；去除表面水分。 喷涂：火焰温度、供给速度、气体压力、喷涂距离、 喷涂角度、喷涂移动速度。
喷后处理：有孔结构，蜡或树脂封口。
表面改性技术
各种基体材料：金属、玻璃、陶瓷、有机材料 喷涂材料种类广泛：金属、合金、陶瓷、有机
方法多样：有十几种之多。 喷涂工件不受限制：大面积、小工件均可 涂层厚度可控：几十微米到几毫米
5.2 热喷涂
材料科学与工程学院
表面改性技术
线材：碳钢丝、不锈钢丝、铝丝、铜丝、复合喷涂丝 及镍、铜、铝的合金丝等。锌丝 粉末：金属及合金粉末、陶瓷粉、复合材料粉末和塑 料颗粒等。镍基合金粉。 线材火焰喷涂：设备简单，价格便宜，手持操作，调节简 单，工件表面温度较低， 粉末火焰喷涂：颗粒由表面向内部融化，不存在破碎 和雾化，粉末粒度决定喷涂粒度，存在不同部分融化 不一致问题。
5.2 热喷涂
材料科学与工程学院
表面改性技术
热喷涂原理
5.2 热喷涂
机械结合：凸凹不平表面相互咬合
材料科学与工程学院
高能束表面改性技术2
9.2 离子束表面改性
• 离子注入基本原理 在离子注入机中 把各种所需的离子加 速成具有几万甚至百 万电子伏特能量的载 能束，并注入固体材 料表面，形成特殊物 理、化学或力学性能 表面改性层的过程。
图9-2 离子注入装置简图
9.2 离子束表面改性
• 离子与工件表面原子电子发生以下过程： 电子碰撞； 核碰撞； 离子与工件内原子作电荷交换。
鞘层 我国核工业西南物理研究院研制 的全方位离子注入机整机图
图9-5 哈尔滨工业大学研制的等 离子体浸没离子注入装置
表9-5 提高表面性能的基体材料及注入离子的种类 基体材料 铝合金 铍合金 影响性能 腐蚀 硬度 腐蚀 硬度 硬度 陶瓷 磨损 韧性 渗钴碳化钨 硬度 磨损 腐蚀 磨损 钛合金 硬度 摩擦 疲劳 注入的离子 Mo+ N+ B+ B+ Y+，N+，Zr+， Cr+ O+，N+ O+，N+ N+，Co+ N+，Co+ N+，C+ N+，C+，B+ N+，C+，B+ Sn+，Ag+ N+，C+ 超合金 低合金钢 高合金钢 基体材料 铜合金 影响性能 腐蚀 腐蚀 磨损 硬度 摩擦 疲劳 腐蚀 磨损 硬度 摩擦 疲劳 磨损 腐蚀 注入的离子 Cr+，Al+ Cr+，Ta+，Y+ Ti+＋C+ Ti+＋C+ Sn+，Ag+， Au+ N+ Cr+，Ta+ N+ N+ Sn+ N+，Ti+ Y+，C+，N+ Pt+，Au+，Ta+
第9章-高能束表面改性技术
GCr15钢激光淬火硬化层不同部位化学成分
分析点
C （ % ） Cr （ % ） Fe （ % ）
1
0.62
0.91
98.47
2
0.91
1.17
97.42
3
0.96
0.91
98.13
4
1.27
1.14
97.59
2021/2/6
9
9.1 激光表面改性技术 ——激光束表面相变硬化
激光束表面相变硬化处理前工件表面的预 处理:黑化处理——使吸收率大幅提高。
离子注入基本原理 在离子注入机中
把各种所需的离子加 速成具有几万甚至百 万电子伏特能量的载 能束,并注入金属固 体材料的表面层。
2021/2/6
图9-1 离子注入装置简图
24
9.2 离子束表面改性
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
激光作用下的合金中的相变 <1>相变的热力学条件:相变的热力学条件
是指相变过程必须在相平衡温度以上的温 度范围内完成。 <2>成分特点：相变完成后奥氏体成分很不 均匀。 <3>组织特性：奥氏体晶粒小而不均匀,易 得到隐针或细针马氏体组织。
2021/2/6
8
9.1 激光表面改性技术 ——激光束表面相变硬化
2021/2/6
20
9.1 激光表面改性技术
激光诱导化学气相沉积技术
2021/2/6
21
9.1 激光表面改性技术
激光清洗技术 用功率密度很高（108~1011w/cm2）的激光束,
在极短的脉冲持续时间内（10-9~10-3s）照射金属 表面使表面的污物、颗粒、锈斑或者涂层等附着 物很快气化，从而达到洁净化的工艺过程。
分析点
C （ % ） Cr （ % ） Fe （ % ）
1
0.62
0.91
98.47
2
0.91
1.17
97.42
3
0.96
0.91
98.13
4
1.27
1.14
97.59
2021/2/6
9
9.1 激光表面改性技术 ——激光束表面相变硬化
激光束表面相变硬化处理前工件表面的预 处理:黑化处理——使吸收率大幅提高。
离子注入基本原理 在离子注入机中
把各种所需的离子加 速成具有几万甚至百 万电子伏特能量的载 能束,并注入金属固 体材料的表面层。
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图9-1 离子注入装置简图
24
9.2 离子束表面改性
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
激光作用下的合金中的相变 <1>相变的热力学条件:相变的热力学条件
是指相变过程必须在相平衡温度以上的温 度范围内完成。 <2>成分特点：相变完成后奥氏体成分很不 均匀。 <3>组织特性：奥氏体晶粒小而不均匀,易 得到隐针或细针马氏体组织。
2021/2/6
8
9.1 激光表面改性技术 ——激光束表面相变硬化
2021/2/6
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9.1 激光表面改性技术
激光诱导化学气相沉积技术
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9.1 激光表面改性技术
激光清洗技术 用功率密度很高（108~1011w/cm2）的激光束,
在极短的脉冲持续时间内（10-9~10-3s）照射金属 表面使表面的污物、颗粒、锈斑或者涂层等附着 物很快气化，从而达到洁净化的工艺过程。
7 第五章 金属材料的热处理与表面改性
第5章
金属材料的热处理与表面改性
1
5.1钢在加热时的转变
A H
N B J
奥氏体 或A
液相L +L
E C D
L+ Fe3C
F
G
+Fe3C
S
K
P Q
+Fe3C
Fe3C
2
5.1 钢在实际加热时的转变点
℃
G
F+A 奥氏体 A A3线
E
Acm线
A+Fe3C S
A1线
铁素体 F
P Q Fe
F+Fe3C
C%
3
5.1 钢在实际加热时的转变点
过 热 度
℃
奥氏体 A Ac3线
E
Accm线
G
F+A
A+Fe3C S
Ac1线
铁素体 F
P Q Fe
F+Fe3C
C%
4
5.1 钢在实际加热时的转变点
过 冷 度
℃
奥氏体 A
E
Arcm线
G
F+A
Ar3线
A+Fe3C S
铁素体 F
P Q 5
先共析相F或 Fe3C析出区
15
对亚共析钢，钢中C%↑，A中C%↑→C曲线右移 对过共析钢，一般在AC1以上A化，钢中C%↑，未
溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移
共析钢，C曲线最靠右边，稳定性最高
16
（2）奥氏体中合金元素 合金元素使Ms点降低。除钴、铝外，其他合 金元素使C曲线位置右移。有时合金元素可改变C 曲线形状。
•CCT图
•与TTT图相比, 只有C曲线的上 半部分,曲线向 右下方移动
金属材料的热处理与表面改性
1
5.1钢在加热时的转变
A H
N B J
奥氏体 或A
液相L +L
E C D
L+ Fe3C
F
G
+Fe3C
S
K
P Q
+Fe3C
Fe3C
2
5.1 钢在实际加热时的转变点
℃
G
F+A 奥氏体 A A3线
E
Acm线
A+Fe3C S
A1线
铁素体 F
P Q Fe
F+Fe3C
C%
3
5.1 钢在实际加热时的转变点
过 热 度
℃
奥氏体 A Ac3线
E
Accm线
G
F+A
A+Fe3C S
Ac1线
铁素体 F
P Q Fe
F+Fe3C
C%
4
5.1 钢在实际加热时的转变点
过 冷 度
℃
奥氏体 A
E
Arcm线
G
F+A
Ar3线
A+Fe3C S
铁素体 F
P Q 5
先共析相F或 Fe3C析出区
15
对亚共析钢，钢中C%↑，A中C%↑→C曲线右移 对过共析钢，一般在AC1以上A化，钢中C%↑，未
溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移
共析钢，C曲线最靠右边，稳定性最高
16
（2）奥氏体中合金元素 合金元素使Ms点降低。除钴、铝外，其他合 金元素使C曲线位置右移。有时合金元素可改变C 曲线形状。
•CCT图
•与TTT图相比, 只有C曲线的上 半部分,曲线向 右下方移动