表面工程学ppt课件

材料表面工程 （第五章）,李辉 材料学院 328 室 010-6739 6168,第五章：表面工程技术,5.1 电镀，化学镀 5.2 热喷涂 5.3 堆焊 5.4 高能束表面改性 5.5 气相沉积,第七章 气相沉积技术,5.4.1 高能束表面改性,采用激光束、电子束、离子束为代表的高能束流对材料表面进行改性的技术。 高能束的共同特征是，供给材料表面的功率密度103W/cm2。 特点： 1. 功率密度高、作用时间短，易于获得亚稳态组织； 2. 非接触式加热，热应力小； 3. 可控性好，易于传输，处理环境清洁，污染少。,5.4.2 激光表面改性,5.4.2.1 激光 Laser： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,激光体，2. 光泵浦能量，3. 反射镜， 4.输出功率藕合器，5. 激光束,（通过辐射线的受激放射达到光的放大，简称激光 ）,主要特点： 1. 高单色性 2. 高方向性 3. 高亮度,5,1960年在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室，西奥多梅曼(Theodore Maiman)设计和建造了一台小型的激光发生器。 他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，产生了第一束激光，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。,梅曼的实验显示，闪光灯发出的足以致盲的强光可以使红宝石棒充能，这些能量随后以纯粹的红色光脉冲的形式释放，这些相干光有恒定的相位差，就像是列队前进的士兵们。,6,随着激光的诞生，军事机构和小说家看到射线枪能够成为现实，就开始着手打造激光武器。 1964年，007电影金手指中大反派“金手指”奥瑞克威胁詹姆斯-邦德，要用激光将他锯成两半这在当时，还是纯粹的幻想。,7,埃米特利斯(Emmett Leith)和朱瑞斯乌帕特尼克斯(Juris Upatnieks )在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造，发明了第一个不需要特制眼镜就能看到的三维图像。 他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上，其中一束激光先被从被摄物体上反射开来，然后再与另一束会合，在感光片上成像。用一束与成像时相同方向的激光照射感光片，就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像。这张玩具火车图是这两位科学家在密歇根大学的威洛鲁恩实验室第一次记录的全息图。,8,最初时，激光的色彩是相当有限的：氦氖激光器和红宝石发出红光，其他激光器则产生不可见的红外线。 人们借助离子激光器第一次实现了如彩虹般的七彩激光，它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。氩气产生蓝色和绿色的光，氪产生其他几种颜色，两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。梦幻的激光秀从此诞生。,9,激光技术第一次走进日常生活，是美国超市使用发出红色氦氖激光的条形码扫描枪实现收款自动化。 若尔斯阿尔费罗夫(Zhores Alferovand )和赫伯特克勒默(Herbert Kroemer)改进了制作半导体二极管激光器的方法，让激光真正地无处不在。这两位科学家因此获得了2000年的诺贝尔物理奖。,(图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比。)如今，这样的芯片随处可见，比如说CD播放器、蓝光播放器、红色激光笔并构成了全球电信网络的骨干。,10,在工业上，激光被用作永远不会变钝的锯和钻头。最初人们使用激光来加工硬度很高的材料，如钻石，或非常柔软的材料，例如婴儿奶瓶的奶嘴。 低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金属。 早期的工业激光器，必须要有非常庞大的体形，才能产生足够的能量，但新型固态激光器却非常小巧，给人印象深刻：如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量，足以切开几厘米厚的金属片。,11,激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。 早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。 更大的成功在1968年到来，外科医生弗朗西斯莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激光器破坏异常的血管，以避免这些血管在视网膜中扩散，这种病症后果非常严重，会导致糖尿病人失明。这种治疗方法已经挽救了数百万人的视力。 如今，激光也被用来切割角膜，以矫正视力，或者消除胎记和刺青。,12,很久以来可控核聚变都是人们最理想的清洁能源产生方式。 1962年，在加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室，物理学家约翰纳科尔斯(John Nuckolls)提出用激光脉冲加热和压缩重氢同位素块来实现可控核聚变。 自此之后，劳伦斯利弗莫尔实验室一直追寻着这个理念，他们使用的激光器也越来越大，终于在美国国家点火装置(National Ignition Facility)中达到巅峰。这是一个复杂的系统，可以同时发出192束激光，,去年，在十亿分之几秒的时间内，产生了能量达到100万焦耳的激光脉冲，使之成为有史以来能量最强的激光器。国家点火装置是美国科学家研制的、世界最大的激光核聚变装置。据悉，这个被称为“人造太阳”的装置能产生类似恒星内核温度和压力，使美国在无需核试的情况下保持核威慑力。,5.4.2.1 主要工业用激光器,5.4.2 激光表面改性,5.4.2.2 激光与物质的作用机理,5.4.2 激光表面改性,（1） 热作用 由于激光光子的吸收而产生的热效应 （2）力作用 a. 光压： I = ， 式中， W/S是激光的功率密度，C是光子的速度 b. 表面等离子形成的冲击力 （3） 光作用 光化学反应机制：由于吸收光子能量导致的光分解和裂解 光热化学机制：光子被吸收后分子热振动加剧,substrat,plasma,Fusion/vaporation,ablation des dfauts,I,II,III,Densit dnergie,Laser （脉冲）,Daprs Jos M. Vadillo, J. Javier Laserna, “Laser-induced plasma spectrometry: truly a surface analytical tool”, Spectrochimica Acta Part B, Vol. 59, 2004, pp. 47-161.,5.4.2.2 激光与物质的作用机理,5.4.2.3 激光表面改性技术,1. 激光淬火,45钢表面激光淬火横截面金相组织,5.4.2.3 激光表面改性技术,极快的加热速度和冷却速度 精密节能 自淬火 柔性好，易于自动化生产,影响因素： 基材成分：淬硬性、淬透性 工艺参数：激光参数 表面状态：表面吸收率,5.4.2.3 激光表面改性技术,1. 激光淬火,5.4.2.3 激光表面改性技术,1. 激光淬火,5.4.2.3 激光表面改性技术,1. 激光淬火,2. 激光熔凝 表面快速加热至熔点温度以上，由基材迅速导热冷却，使表面熔化层快速冷却并凝固结晶。 特点：硬度高；硬化层深，耐磨性好； 缺点：表面粗糙，后续加工困难,5.4.2.3 激光表面改性技术,2. 激光熔凝,5.4.2.3 激光表面改性技术,3. 激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）,5.4.2.3 激光表面改性技术,粉末预置堆焊,同步送粉堆焊,同轴送粉,侧向送粉,3. 激光堆焊（激光合金化和激光熔覆） 激光合金化：利用激光改变金属或者合金表面化学成分的技术 激光熔覆：用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂层技术 二者技术实质一样， 合金化 过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表面化学成分； 熔覆 更强调外加合金的熔化，希望在保证冶金结合前提下尽可能降低稀释率,5.4.2.3 激光表面改性技术,3. 激光合金化和激光熔覆 （激光堆焊）,5.4.2.3 激光表面改性技术,5.4.3.1 电子束产生原理,5.4.3 电子束表面改性技术,电子速度取决于加速电压的高低，一般可达到光速的 2/3 左右 电子束加热时，能量的传递主要通过电子与材料的电子碰撞来实现，入射电子束动能大约有75%可以直接转化为热能。,5.4.3.2 电子束相变硬化,5.4.3 电子束表面改性技术,与激光相变硬化原理相仿，但是 在高真空度工作室（1.3310-1 1.3310-4 Pa ）进行， 加速电压可调节范围很宽，适用面广 电子束传输距离长，适合于大型工件 电子束斑可以很大，可达20 20 mm2,5.4.3 电子束表面改性技术,5.4.3 电子束表面改性技术,离子注入:,5.4.4 离子束表面改性技术,离子束实质是一种带正电的离子,离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质。,Ion implantation is a materials engineering process by which ions of a material can be implanted into another solid, thereby changing the physical properties of the solid.,5.4.4 离子束表面改性技术,基本过程: 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电离子 在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶） 以改变这种材料表层的物理或化学性质,5.4.4.1 离子注入系统,5.4.4 离子束表面改性技术,源（Source）： 一般采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，ASH3等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。 离子源（Ion Source）： 灯丝（filament）发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器,气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，. 离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，.,5.4.4 离子束表面改性技术,The ions are generated in an ion source which consists of an oven where the particles are vaporized, and the arc chamber, where the particles are ionized mainly by the bombardment of the atoms or molecules with electrons but also by atom/atom and atom/molecule collisions. Due to a well designed magnetic field in the arc chamber, which increases the path length of the electrons, and by the external generation of electrons, the electron/atom collision probability is increased, enabling a larger ion density.,离子源（Ion Source）,离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。,注入离子如何在体内静止？,注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程： (1) 核阻止（nuclear stopping）： 来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论 (2) 电子阻止 （electronic stopping）： 来自靶内自由电子和束缚电子的阻止 总能量损失为两者的和,核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论,注入离子的分布,核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论,真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。,注入离子的分布,离子注入表面改性的机理,5.4.4 离子束表面改性技术,损伤强化 离子碰撞对晶格的损伤- 原子构造从长程有序变成短程有序 空位对位错的钉扎作用 注入掺杂强化 N,B等元素与金属形成氮化物、硼化物等硬质相 冲击强化 冷加工硬化,5.4.4 离子束表面改