技能培训 材料表面工程学 表面改性方法3

技能培训 材料表面工程学 表面改性方法3

6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 采用激光束、电子束、离子束对材料表面进 行改性或合金化的技术，是近十几年迅速发展起 来的材料表面新技术，是材料科学的最新领域之 一，属高能密度表面处理技术。这三种技术的特 点是可以对材料表面快速加热和冷却。 激光表面处理工艺: 激光相变硬化、激光熔覆、 激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化等。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 一、激光的特性 激光作为一种光，它除了具有普通光的一般特 性，如光的反射性、折射性、吸收性外，还具有 自己的特点：即高度的方向性、单色性和亮度， 是一种聚焦性好、功率密度高、易于控制、能在 大气中远距离传输的新颖光源。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 一、激光的特性 1. 高度的方向性 一、激光的特性 2.高亮度 激光有极高的亮度，可以达到比太阳光的亮度 还高100万亿倍．普通光源的亮度则比太阳光还低． 由于激光发出的光束很强，而方向性又很强， 所以聚焦后可以获得极高的能量密度，功率密度高 达1014W/cm2. 焦斑中心温度可高达几千到几万度。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 一、激光的特性 3．高单色性 科学上用光辐射能量集中的频谱区间（称谱线 宽度）衡量光的单色性，谱线宽度越窄，它的单色 性越好．太阳光辐射能量分布在从紫外至远红外的 广阔光谱区域，所以它谈不上单色性．常用的单色 光源如氖灯、氦灯、氪灯、氢灯等，它们的光辐射 谱线宽度比较窄（小于4.5×10-3nm），其中氪86光 源发射的红光（波长605.7nm）的谱线宽度最窄，只 有4.7×10-4nm，有单色性之冠之称．激光具有相同 的位相和波长，所以激光的单色性比它更好，特制 发红光的He-Ne激光器，波长632.8nm的谱线宽度只 有2×10-9nm！ 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 二、激光表面处理设备 包括：激光器、功率计、导光聚焦系统、工作 台、数控系统和软件编程系统。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 激光是由具有亚稳态能级结构的物质(激光介 质)，在激光器的谐振腔内受外界能量(光或电)的激 发，产生受激辐射放大所输出的方向性、相干性很 好、亮度很高的光。 （一）激光的产生 § 1. 激光的基本原理 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能 量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射） 都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量 的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程 中，存在三种类型的跃迁。即：受激吸收、自发辐射和 受激辐射。 E1 E3 E2 如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存 在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外 来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。 且 ，其中：E2为原子的某一较高的 能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这一光子， 而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。 值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子 的某两能级之差时，光子才能被吸收。 12 EEhv  原子吸收 E1 E3 E2 图1-1 原子吸收示意图 hv E1 E3 E2 与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是 不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量 级约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同时 放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的 能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。 原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿 命。 hv 图1-2 自发辐射示意图 E1 E3 E2 自发辐射 自发辐射的特点是： 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射 都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、 偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不 相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体， 在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们 从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的 光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都 有，初位相也各不相同。这正是普通光源的自 发辐射。 受激辐射 处于激发态的原子，在 其发生自发辐射前，若受到 某一外来光子的作用，而且 外来光子的能量恰好满 足 ，原 子就有可能从激发态E2跃迁 至低能态E1，同时放出一个 与外来光子具有完全相同状 态的光子。如图1-3所示。 这一过程被称为受激辐射。 12 EEhv  Light or laser 无辐射跃迁 E1 E2 hv E1 E2 hv hv 图1-3 受激辐射示意图 这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而 且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相 同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外 来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入 一个光子，可以得到两个状态完全相同光子的输出。并 且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射， 而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光 放大。图1-4就是受激辐射光放大的示意图。 受激辐射的特点是： hv hv hv hv hv hv hv输入 输出 图1-4 光放大示意图 激光器知识 一、激光振荡器与激光放大器 1、激光振荡器(激光器) 2、激光放大器 二、产生与放大激光的条件 形成粒子数反转(上能级粒子数>下能级粒子数) 对输入的弱激光进行放大 产生并输出激光 2、泵浦源(光泵、放电管) 对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转 3、谐振腔(半反镜与全反镜) (1)维持激光振荡 (2)改善激光质量如单色性、方向性 (1)激活粒子(分子、原子、离子) 发光 (2)基质 寄存激活粒子的材料 1、激光工作物质 三、激光器构造 四、激光器种类 1、气体激光器 (1)He-Ne 发光粒子为Ne原子, =6328Å(0.6328m,632.8nm) (2)CO2 发光粒子为CO2分子, =10.6m(106000Å,10600nm) 电源 全反镜 半反镜 放电管 2、固体激光器 3 rC (1)红宝石 发光粒子为 (铬 离子),光波长0.6943 m 电源 全反镜 半反镜激光晶体 光泵 3 dN (2) YAG 发光粒子为 (钕离子),光波长1.06m (1Å=10-10m, 1m=10-6m, 1nm=10-9m) 3、液体激光器 4、半导体激光器 五、能级系统 1、三能级(红宝石) E1基态 (激光下能级) E2亚稳态 (激光上能级) E3非稳态 W13 S32 A21 W21 W12 W13:泵浦几率 S32:非辐射跃迁几率 GaAs P-GaAs n-GaAs 激光 (1)侧面发光 (2)垂直腔面发光 2、四能级(He-Ne、YAG、CO2) W14:泵浦几率 S43、S21:非辐射跃迁几率 E2非稳态 (激光下能级) E3亚稳态 (激光上能级) E4非稳态 W14 S43 A32 W32 W23 E1基态 S21 激光器的工作方式有连续和脉冲两种。 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （二）激光器 激光振荡器（激光器）： 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （二）激光器 激光振荡器（激光器）： 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （二）激光器 在激光器中，必须使光在增益介质中来回一次 所产生的增益，足以补偿光在介质来回传播中的各 种损耗，这样才形成激光。激光器实现振荡所需要 的最低条件，又称阈值条件。 概括地讲，要形成激光，首先必须利用激励能 源，使工作物质内部的一种粒子在某些能级间实现 粒子数反转分布，这是形成激光的前提条件；还必 须满足阈值条件，这是形成激光的决定性条件。各 种激光器都必须满足这两个条件才能形成激光。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （1）固体激光器：这类激光器所采用的工作物 质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺 入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的（如红 宝石激光器）； （2）气体激光器：采用的工作物质是气体，根 据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的 不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体 激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等； （二）激光器 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 激光器的种类： （3）液体激光器：这类激光器所采用的工作物 质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一 类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金 属离子； （4）半导体激光器 （5）化学激光器 （二）激光器 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 固体激光器： （1）钕-钇铝石榴石激光器(又称YAG激光器) 。 YAG激光器属于固体激光器、激活介质(工 作物质)是钇铝石榴石(Y3Al5O12)晶体中掺入质量 分数1.5％左右的钕制成。其激光波长为1.06um， 属近红外光，输出方式可以是连续的也可以是脉冲 的，但连续输出功率较小，仅1kw左右，且光电转 换效率很低。 （二）激光器 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 气体激光器 （2）CO2激光器 激活介质(工作气体)为 CO2 气体，激光波 长为 10. 6um ，属中红外光，一般是连续输出。 CO2 激光器是目前连续输出功率最大的激光器， 10kw以下已经系列商品化；光电转换效率高，一般 为10-20％、而YAG激光器仅1-3％。金属表面强化 技术大多采用2-5kw CO2激光器。 （二）激光器 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （2）CO2激光器 （二）激光器 13 NN  E 3 E 1 2E N2 1N3N E 0 N E 3 E 1 2E N2 1N3N E 0 N N E E3 E1 2E N21N3N0 E3 E1 2E N2 1N3N E 0 N 氖原子 在 间 实现粒子数反转分布 s3 p2 s2 s1 Ne s3s12 s32 He p2 p3 碰 632.8 n m 共 振 转 移 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 三、激光表面处理技术 （一）激光束加热金属的过程 激光照射到金属表面： 一部分被金属表面反射， 一部分进入金属表层并被吸收。 激光向金属表层的热传递是通过“韧致辐射效应” 实现的，即通过固体金属对激光光子的吸收而实现 光---热转换。一定强度的激光照射金属表面时，入 射到金属晶体中的激光光子，将与金属中的自由电 子发生非弹性碰撞，光子被电子吸收。吸收了光子 的电子，跃迁到高能级状态，并将其吸收的能量转 化为晶格的热振荡，使金属表层的温度迅速升高。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （一）激光束加热金属的过程 由于光子穿透金属的能力极低（小于0.1um）， 故光子的吸收及转换为热的过程仅限于表面极薄层。 由于导电电子的平均自由时间只有10-3s，所以 激光的加热速度很快。 金属深处的加热主要靠热传导进行。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 金属对激光的吸收与以下几个因素有关： （1）激光的波长越短，吸收率越高。 （2）金属的温度越高，吸收率越大。 金属材料在室温的吸收率均很小，当温度升高 到接近熔点时，其吸收率将升高至40％～50％。 （3）电导率高的金属对激光的反射率高，吸收率低。 （4）金属表面粗糙度愈大，其吸收率愈大。 表面涂层会使反射率急剧变化，以致对吸收的 光能发生显著影响。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （二）激光表面预处理 常用的方法有： （1）黑化处理方法，即将黑化溶液，如胶体石墨 或含炭黑和硅酸钠的涂料直接刷涂或喷涂到工件表 面。黑化法工艺简单，处理后工件对CO2激光的吸 收率可达90％以上 。 （2）磷化法：是把金属放入含有锰、铁、锌的磷 酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难 溶于水的磷酸盐保护膜的方法。磷化法处理后工件 对CO2激光的吸收率可达88％。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 1 激光束表面相变硬化 激光束表面相变硬化，又 称激光淬火，是以激光束快速 照射工件，使表面形成奥氏体， 此后急冷形成马氏体。 激光表面强化应用实例： 表6-29。 （三）激光处理工艺及应用 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 2 激光涂覆 激光涂覆就是用激光在基体表面覆盖一层薄的 具有特定性能的涂覆材料，这类涂覆材料可以是金 属或合金，也可以是非金属、化合物。 激光表面涂覆工艺可分为两种。一种是预涂覆 法，即先把熔覆合金通过粘结、喷涂、电镀等方法 预置在材料表面上，而后用激光束将其熔覆；另一 种是气相送粉法，即在激光束照射基体材料表面产 生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激 光熔池内实现熔覆。 激光涂覆的一个特征就是覆层和基材之间实现 了冶金结合。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 3 激光表面非晶化 利用激光束连续快速扫描金属表面，使表层金 属熔化，并以大于临界冷却速度激冷至其晶化温度 以下，防止晶体成核和生长，从而在金属表面形成 非晶，也称金属玻璃 。激光非晶化又称激光上釉。 激光非晶化层在金相及电镜下呈均匀的亮白色。 激光非晶层的显微硬度远高于相应成分的晶体相。 此外，非晶态处理可减少表层成分偏析，消除表层 缺陷，具有很好的韧性、耐磨性、耐蚀性。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 4 激光合金化 利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基 体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技 术。方法是预先在基体表面涂敷一层所需合金元素， 采用激光照射，将涂敷层合金元素与基体表面薄层 同时熔化、混合，形成新的表层成分、组织、性能。 激光合金化的主要优点是：激光能使难以接近 的和局部的区域合金化；利用激光的深聚焦，在不 规则的零件上可得到均匀的合金化深度；能准确地 控制功率密度和控制加热深度，从而减小变形；可 以节约大量的贵重元素。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 5 激光熔凝 激光熔凝是用激光束将工件表面快速加热熔化， 然后快速冷却凝固，获得细微组织的表面改性技术。 在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同 时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 6 激光气相沉积 激光气相沉积是将激光用于气相沉积技术。 用激光束辐照含欲沉积元素的气体或固体，使 之反应或蒸发，形成欲沉积元素，在基体表面形成 沉积层。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 激光固态相变与激光熔凝 长2.5米，直径50～60mm细长空心轴 表面激光淬火，挠曲变形仅0.06～ 0.15mm 挤管模具内表面激光熔凝强化 曲轴激光淬火 Φ720mm 齿轮齿面激光淬火 展板二 制药机械零部件激光熔凝强化(替代进口) 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 电子束表面处理是采用电子束照射金属表面， 使金属表面强化的方法。 一、电子束对金属的加热 与激光表面加热不同，电子束表面处理时电子 束照射到金属表面会同金属的原子核及电子发生相 互作用。由于电子与原子核的质量相差特别大，电 子与原子核的碰撞可以看作弹性碰撞，因此能量传 递主要通过电子束的电子与金属表层的电子碰撞而 完成的。传递的能量以热能形式传与金属表层原子， 使表层金属温度升高。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 二、电子束表面处理技术 电子束作为热源的应用领域和激光基本相同， 涉及到表面相变强化、表面合金化、表面非晶化、 表面涂敷等。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 (1)电子束表面相变硬化 电子束相变硬化又称电子束淬火，它是利用钢 铁材料的马氏体相变进行表面强化的。 (2)电子束表面重熔 用电子束将工件表面加热熔化到一定深度，然后 快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳 配合。 (3)电子束表面合金化 预先在基体表面涂敷一层所需合金元素，利用 电子束加热使之熔化并熔入基体表面，从而使基体 表层具有特定的合金成分和特殊性能的技术。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 (4)电子束表面非晶化 利用电子束连续快速扫描金属表面，使表层金 属熔化，并以大于临界冷却速度激冷至其晶化温度 以下，防止晶体成核和生长，从而在金属表面形成 非晶。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 三、电子束表面处理设备 电子束表面处理设备包 括：电子枪、真空工作室、 传动机构及控制系统。 电子枪是最主要的部件， 其组成包括：一个用作电子 发射源的灯丝，一个使电子 加速的高电位阳极。 传动机构有可以收缩电子 束、在可调距离上聚焦的线 圈和偏转移动电子束的线圈。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 三、电子束表面处理设备 电子枪室的真空度一般为1.33×10-2-1.33×10- 3Pa，在灯丝中通过直流电流加热使温度高达2500℃ 将放出电子，这些电子被灯丝和阳极间的加速电压加 速而形成高速运动的电子流，并从阳极中央的孔穿过。 利用聚焦线圈可将电子束焦点控制在所需距离 上，利用偏转线圈移动电子束的位置，从而精确地控 制电子束。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 三、电子束表面处理设备 电子束表面处理的工作室通常保持13.3-1.33Pa 的低真空。由于在大气中电子束容易散射，使电子束 能达到的距离大大缩短，所以一般不在大气中进行电 子束表面处理。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 离子注入技术，是指在高真空室内、将几万到 几十万电子伏的高能离子束离子入射到固态材料表 面，从而改变材料表面层物理、化学和力学性能的 方法。 将外来元素以离子的形式注入到基体内要借助 于电场力、加速器将离子束加速，因此，离子注入 技术与核技术的发展有关，是涉及原子物理、核物 理、固体物理等多学科的一种新兴工业技术。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 入射粒子非弹性碰撞效应 反冲注入 注入 溅射粒子： M0、M+、M-、Mn 光子 基材M 通道注入 二次电子 X-射线反射粒子 I0、I+、I-、In 弹性碰撞效应 第六章 表面改性技术 离 子 注 入 装 置 简 图 一、离子注入的原理 6.8 离子注入表面改性 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 离子注入是在离子注入机上进行的。离子注入 机由以下几个主要部分组成： （1）离子源，用于产生和引出某种元素的离子 束，这是离子注入机的源头。对于不同的离化物质， 有固体离子源、气体离子源和固体/气体离子源等； （2）加速器，对离子源引出的离子束进行加速， 使其达到所需的能量； （3）离子束的质量分析（离子种类的选择）； （4）离子束的约束与控制； （5）靶室； （6）真空系统。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 多功能 离子注入设备 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 注入离子与基体材料表面的相互作用 入射离子进入靶金属，与靶金属发生一系列的 碰撞作用。这些作用主要有： （1）入射离子与靶原子的弹性碰撞，使靶材固体 中产生离子大角度散射和辐照损伤等； （2）入射离子与电子非弹性碰撞，引起靶原子电 离或者激发产生二次电子或X射线发射； （3）离子与靶原子电荷交换。 由于这三种作用，入射离子的能量在运动中逐 渐消耗，最后停留在靶中某个位置。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 注入离子在基体表面的 射程分布 一个原子从靶表面到 其停留点的路程称为射程 (R)；射程在入射方向上 的投影长度，称为投影射 程，用RP表示。由于离子 注入靶材后的碰撞是一个 随机过程，具有相同初始 能量的注入离子，在靶材 表面的浓度、深度呈统计 学的高斯函数分布。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 入射离子进入靶金属，与靶金属发生一系列的 碰撞作用。由于晶体的原子在空间呈规则排列，如 果入射方向正好沿某个晶向，则离子在入射过程中 发生的碰撞偏转会很少，阻力也比较小，透入深度 则较大，这种现象称为沟道效应。 沟道效应会影响离子注入后的射程分布。离子 沿晶注入的穿透较深。如果入射方向偏离晶向，碰 撞会加剧，透入深度减小。而且，与入射方向偏离 越大．碰撞越严重，离子透入深度越小。 二、沟道效应与辐照损伤 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 具有高能量的离子注入晶体表面后，发生上述碰 撞作用，产生能量交换，其中核碰撞产生的能量交换 起主要作用。当所传递给点阵原子的能量足以使原子 激活时、点阵原子离开晶格结点位置，形成一个空位 -间隙原子对。若离位原子获得的能量足够大、它又 与点阵中的其他原子发生碰撞，产生更多的离位原子， 形成级联碰撞过程。级联碰幢的结果在靶材的表层中 产生大量的空位、间隙原子等晶格缺陷，这就是辐照 损伤。 二、沟道效应与辐照损伤 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 二、沟道效应与辐照损伤 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 可见，离子注入除了在靶材表面增加了注人元素 成分外，还在注入层中增加了许多空位、间隙原子、 位错等晶体缺陷，在加热效应的作用下，间隙原子、 空位的迁移，使晶体缺陷进一步发展、形成空位团、 间隙原子团、位错团等，对注入层的性能有很大影响。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 三、离子注入的特征 （1）离子注入可注入任意元素，且不受相平衡和固 溶度限制。可以形成平衡态合金、高度过饱和固溶体、 亚稳态合金及化合物、非晶态，并可形成通常方法难以 获得的合金相及化合物。 （2）离子注入是在高真空（10－4 Pa左右）和较低温 度下进行，基体不受污染，工件不氧化、不变形；注入 原子与基体金属间没有界面，注入层不存在剥落问题； 注入后表面不发生粗化，可作为最终热处理。 （3）通过控制离子源能量可控制注入含量和注入层 深度。 缺点：注入层薄（小于1µm）,金属离子注入钢中，厚 度一般仅几十至二三百纳米；设备昂贵。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 四、离子注入强化机制 离子注入可提高金属材料表面的强度、硬度、耐 磨性和抗蚀性: 1．固溶强化 离子注入是一个非平衡过程，不受热力学平衡相 图的限制，可以得到过饱和固溶体。随着注入剂量的 增大，过饱和程度也增大，其固溶强化效果越明显。 2．位错强化 离子注入在靶材金属表层造成大量的空位和间隙 原子、它们在一定条件下会发生迁移，形成位错团， 提高了位错密度，从而使表面强化；注入原子半径小 的碳、氮或硼原子时，注入的间隙原子形成柯氏气团， 强烈地抑制位错运功，起到强化作用。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 离子注入强化机制 3．弥散强化 注入与基体金属能形成化合物的元素，在离子 注入层中可能析出化合物。如，当金属中注入碳、氮、 硼等非金属元素时，金属中可能析出碳化物、氮化物、 硼化物，这些化合物的均匀弥散析出提高了金属的强 度。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 离子注入强化机制 4．表层冷加工强化 高能离子轰击靶金属表面，可视为原子尺寸的弹 丸冲击，有类似于喷丸强化的冷加工硬化作用、在表 面形成压应力，使表面层硬度、强度提高。 此外，表面注入的外来原子及其造成的晶格缺陷, 如间隙原子使晶格常数增大，导致基体金属表面层有 膨胀倾向，但膨胀受到基体的限制，因而表层产生侧 向压应力、压应力对提高疲劳强度和耐磨性能有一定 贡献。 。