9--高能束教案.ppt

思考题： 1. 激光淬火、激光熔凝、激光熔覆、激光冲击硬化、激光表面合金化、激光表面非晶化的特点是什么？ 2.什么是离子注入？简单解释表面改性的机理。 3.简述电子束表面改性的基本原理和方法 §9.1 激光表面改性技术 激光表面改性 不改变基材表面成分 改变基材表面成分 激光淬火 激光熔覆 激光组织细化 激光退火 激光非晶化 激光熔凝淬火 激光冲击硬化 激光极化 激光清洗 激光诱导液相沉积 激光合金化 激光化学气相沉积 激光增强电镀 激光物理气相沉积 图9-1 激光表面改性技术的分类 一、激光表面改性的特点 功率密度大，加热速度快，基体自冷速度高； 工件热变形很小； 可以局部加热； 可以实现在线加工和自动化操作。 二、激光束与材料表面的相互作用 激光照射到材料表面； 激光被材料吸收变为热能； 表层材料受热升温； 发生固态转变、熔化甚至蒸发； 材料在激光作用后冷却。 三、激光表面改性的工艺 1.激光淬火 利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面 使其温度迅速升高到相变点以上 移开激光 低温的内层材料向表面导热 使表层快速冷却到马氏体形变点以下，获得淬硬层。 2.激光表面熔凝技术 采用激光束将基材表面加热到融化温度以上，当激光束移开后，由于基材内部导热冷却，使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的表面处理工艺。 与激光淬火工艺相比，关键是使材料表面经历了一个快速熔化-凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。 3.激光冲击淬火(激光冲击硬化) 采用功率密度极高的激光束(107W/cm2)，在极短的时间内(1ms)，作用于金属表面，使金属表面发生局部剧烈蒸发，产生的极大压力使金属表面发生强烈的塑性变形，形成高密度的位错、孪晶，显著提高材料表面强度和硬度。 4.激光熔覆 用激光在基体表面熔覆一层薄的具有特定性能的材料，要求基体对表层合金的稀释度为最小。 预涂覆－激光熔覆法：先把熔覆合金通过粘结，喷涂，电镀，预置丝材或板材等方法预置在将熔覆材料表面上，而后用激光束将其熔覆。 同步送粉法：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。 激光熔覆的优点： 冶金结合； 加热速度很快； 热变形较小； 适用于面积较小的局部处理。 5.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。 激光表面合金化示意图 激光合金化的工艺形式 预置法 硬质粒子喷射法 气相合金化法 激光合金化的优点 使难以接近的和局部的区域合金化； 在快速处理中能有效地利用能量； 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； 可以节约大量的具有战略价值或贵重的元素，形成具有特殊性能的非平衡相、晶粒细化，提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析。 6.激光表面非晶化 利用能量密度数量级高达106W／cm2的CO2激光器连续激光束，以极快的速度(如1～10m／s)扫描，在金属表面形成过热度很高的薄层熔体。同时，在热量尚未传给冷基体的条件下，熔体与相邻冷基体之间保持了很大的温度梯度，从而实现了熔体的超快速冷却，使熔体过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。 7.激光诱导化学反应沉积技术 激光诱导化学气相沉积技术 激光诱导液相反应沉积技术 激光诱导固相反应技术 8.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。 图9-1 离子注入装置简图 §9.2 离子束表面改性 一、基本原理(请同学记录) 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。 二、离子注入表面改性的机理 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 表10-2??? 提高表面性能的基体材料及注入离子的种类 基体材料 影响性能 注入的离子 基体材料 影响性能 注入的离子 铝合金 腐蚀 Mo+ 铜合金 腐蚀 Cr+，Al+ 硬度 N+ 高合金钢 腐蚀 Cr+，Ta+，Y+ 铍合金 腐蚀 B+ 磨损 Ti+＋C+ 硬度 B+ 硬度 Ti+＋C+ 陶瓷 硬度 Y+，N+，Zr+，Cr+ 摩擦 Sn+，Ag+，Au+ 磨损 O+，N+ 疲劳 N+ 韧性 O+，N+ 低合金钢 腐蚀 Cr+，Ta+ 渗钴碳化钨 硬度 N+，Co+ 磨损 N+ 磨损 N+，Co+ 硬度 N+ 钛合金 腐蚀 N+，C