高能束表面改性技术

.,1,第12章高能束表面改性技术,.,2,第12章高能束表面改性技术,12.1概论12.2激光表面改性技术12.3电子束表面改性12.4离子束表面改性,.,3,12.1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103Wcm2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。,.,4,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。,.,5,当高能束加热金属时，加热速度高达5103/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。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510HRC。,.,6,2、,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。,.,7,3、,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。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。,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200800MPa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。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。,.,10,12.1.2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。激光(Laser)的英文全称为：lightamplificationbystimulatedemissionofradiation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。,.,11,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。,.,12,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。,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。,离子束和电子束的不同,.,14,二、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。,.,15,12.2激光表面改性技术,.,16,12.2.3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123所示。,.,17,各种激光表面改性工艺的特点,.,18,一、激光相变硬化（激光淬火）,1、激光相变硬化原理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。因此一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自冷淬火。,.,19,2、激光相变硬化的特点：,(1)极快的加热速度（104106/s）和冷却速度（106108/s），这比感应加热的工艺周期短，通常只需约0.1s即可完成淬火。因此生产率高。(2)仅对工件局部表面进行激光淬火，且硬化层可精确控制，因而它是精密的节能表面改性技术。激光淬火后工件变形小，几乎无氧化脱碳现象，表面光洁程度高，故可成为工件加工的最后工序。,(3)激光淬火的硬度可比常规淬火提高152O。铸铁激光淬火后，其耐磨性可提高34倍。(4)可实现自冷淬火，不需水或油等淬火介质，避免了环境污染。(5)对工件的许多特殊部位，例如槽壁，槽底，小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等，只要能将激光照射到位，均可实现激光淬火。(6)工艺过程易实现电脑控制的生产自动化。,.,21,二、激光非晶化和熔凝,激光非晶化和熔凝，以及接下来论述的激光合金化与涂覆，均有共同的特点。激光能量密度均较高，在激光作用于材料时表面都要形成一层熔体。它们共同的问题均要弄清表层熔体的特性（如熔体的化学成分及其均匀性，熔池中熔体的对流与传热），液一固界面特性及其移动速度，凝固后材料的组织结构和性质等。但是，它们有各自不同的技术目的和工艺条件。,.,22,1、激光非晶化原理,非晶态金属材料（金属玻璃）有极为优异的机械、电磁和化学性能，其应用日益广泛。金属玻璃可以理解为液体金属通过超急冷而凝固。金属玻璃微观结构的基本特征是原子在空间的排列是长程无序而短程有序。,.,23,常见的制造金属玻璃方法可分为三类：,(1)液体金属超急冷凝固法。如液体金属通过高速转动的抛光紫铜辊形成非晶薄带或丝，以及激光表面快速熔凝和电子束表面快速熔凝等。(2)金属通过稀释态凝聚形成非晶。如通过激光、辉光放电、电解等手段沉积形成非晶。(3)通过离子注入、粉末冶金、高温爆炸冲击以及固态反应等，直接由固态晶体形成非晶。,.,24,因此，从广义看，凡是以激光为手段而获得金属玻璃的方法，如激光气相沉积法和激光溅射沉积法等均可称激光非晶化。狭义的激光非晶化是指将激光作用于材料，使材料表面薄层熔化，同时在熔体与基体之间保持极高的温度梯度。以确保液体金属以大于一定的临界速度急冷到某特征温度以下，抑制晶体形核和生长，从而获得非晶态金属。,.,25,表124几种材料形成非晶的临界冷却速度Lc,.,26,三、激光熔凝,激光熔凝也称激光熔化淬火。激光熔凝是将激光束加热工件表面至熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。,.,27,激光熔凝的主要特点有：,1、表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。2、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、耐磨性和抗蚀性。3、其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可以不再进行后续磨光而直接使用。4、表面熔层深度远大于激光非晶化。,.,28,激光熔凝原理与激光非晶化基本一致,通常激光熔凝处理的特点是激光能量密度和扫描速度均远小于激光非晶化。因为激光熔凝处理时，其表面熔化深度大，有时可以mm为单位计量（激光非晶化以u计量），并且熔体冷凝时，冷却速度没有激光非晶化必须保证V临的限制。因而不要求超快速加热和急冷。,.,29,激光熔凝处理后的工件，通常不再经后续磨光加工就直接使用,因此，对激光熔凝处理后的表面形貌质量有所要求。在激光熔凝处理时，熔化区形成的高温度梯度，导致了在表层形成高的应力梯度和熔体中的环流运动。例如，在铁的熔体中环流的运动速度可达150mm/s。熔体内部压力的变化需要相应的补偿。它由熔池表面的弯曲来给予，从而影响表面形貌。,.,30,四、激光合金化与涂覆,用表面合金化的方法代替整体合金以节约金属资源一直是世界范围内材料工作者的重要研究内容之一、常规的表面合金化方法就是化学热处理。它利用高温下的扩散使合金元素渗入基体，以获得表面合金层。,.,31,1、激光合金化,激光合金化就是在高能束激光的作用下，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。换一句话讲，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。,激光合金化的方式如图所示。利用高功率激光处理的优点在于可以节约大量的具有战略价值或贵重元素、形成具有特殊性能的非平衡相或非晶态、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。,.,33,激光表面合金化的许多效果可以用快速加热和随后的急冷加以解释,在激光加热过程中，其表面熔化层与它下面的基体之间存在着极大的温度梯度。在激光作用下，其加热速率和冷却速率可达到105109/s。通过快速加热和快速冷却导致了许多特殊的化学特征和显微结构的变化，从而达到改善材料表面性能的目的。,.,34,2、激光涂覆的概念,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、还可以是化合物及其混合物。这是其它表面技术难以实现的。在涂覆过程中，涂覆层与基体表面通过熔合结合在一起。激光涂覆的方式与激光合金化相似，其区别在于涂层材料与基体材料混合程度的不同。,.,35,激光涂覆的优点:,激光涂覆具有涂层成分几乎不受基体成分的干扰和影响、稀释度小；涂层厚度可以准确控制；涂层与基体的结合为冶金结合，十分牢固、加热变形小、热作用区也很小、整个过程很容易实现在线自动控制。,.,36,稀释度,激光涂覆的目的在于提高工件表面的耐蚀、耐磨、耐热、减摩及其它特性。而涂层内基体材料的熔入多少所引起的涂层成分变化的大小将直接影响到涂层的使用性能。因此，在激光涂覆技术中，存在稀释度的概念。这是一个十分重要的概念。用稀释度这个概念可以定量地描述涂层成分由于熔化的基体材料的混入而引起的成分变化程度。,.,37,所谓稀释度是指熔化的基材混入涂覆层而使涂覆材料成分的变化率。激光涂覆时，要求其稀释度尽可能低。一般认为其稀释度应小于10，最好在5左右，以保证获得高性能的表面涂覆层。,.,38,12.3电子束表面改性,12.3.1电子束的产生过程电子束的产生过程如图所示。在电子枪里，灯丝9通电加热后，灯丝表面产生大量的热电子。在阴极8和阳极7之间的高压电场作用下，热电子加速向阳极方向高速移动，并获得很高的动能。其具体速度值取决于加速电压的高低，一般可以达到光速的三分之二左右。在聚焦线圈6的作用下，可使电子束流聚焦。在偏转线圈7的作用下，可使电子束发生偏转，从而在一定范围内进行扫描。这就得到了能量密度极高的实用的电子束流。,1灯丝加热、2偏转线圈电源、3加速电压电源、4聚焦线圈电源、5电子束、6聚焦线圈、7阳极、兼做偏转线圈、8阴极、9灯丝,.,39,12.3.2电子束与固体的作用,电子与固体的作用可以分为散射和吸收两大类。电子受原子中原子核及其周围形成的电场（即库仑场）的散射。当一束动能为eUB的电子束轰击在固体表面时，以各种物理过程来传递其动能，如图所示。,.,40,电子束轰击金属表面时的能量变化,当电子束轰击金属表面时，电子束的动能的75转化为热能。大约25的动能转化为电子背散射过程。而X射线、二次电子、热电子所引起的动能相对损失极少，不到1。另一方面，热辐射所占的动能比例亦低于1。,.,41,电子束加热与激光束加热存在很大的差别。,电子束加热时，其入射电子束的动能大约有75可以直接转化为热能,而激光束加热时，其入射光子束的能量大约仅有18%可被金属表面直接吸收而转化为热能、其余部分基本上被完全反射掉了。,.,42,12.3.3电子束相变硬化,一、电子束加热相变原理电子束相变硬化亦称为电子束固态相变硬化、电子束加热相变硬化或电子束淬火硬化。其相变原理类似于激光固态相变硬化原理。电子束加热相变是用高能量的电子束快速扫描工件，其表面薄层快速吸收能量而使其温度急剧上升到金属的相变点之上，此刻工件基体仍处于冷态。随着电子束移开和由于热传导的作用，表面热量迅速传到工件的心部或其它区域。在瞬间可进行自冷淬火，从而实现工件的表面相变硬化。,.,43,二、电子束相变硬化处理工艺,电子束相变硬化的加热方式有两种：一种是单程扫描表面加热。此方法主要用于加热的宽度要求较小，需淬火表面积较小的工件，如活塞环的表面相变硬化。另一种是重叠扫描加热。这种方法主要用于需要加热的宽度较大。淬火表面积较大的工件，如曲轴、凸轮等零件的表面相变硬化。,.,44,如采用30kW的电子束焊接机对40CrMo钢进行电子束相变硬化或电子束淬火。试样尺寸为101050mm。相变硬化工艺规范为加速电压60kV，聚焦电流500mA，扫描速度10.47mm/s，电子枪真空度410-2Pa。工作室真空度0.133Pa。按上述工艺规范处理的效果如表4-1所示，,电子束相变硬化的工艺参数一般应根据工件的技术要求，通过系统试验而确定,.,45,表12-540CrMo钢电子束相变硬化的工艺参数及结果,.,46,从该表中可以看出，,随着电子束的束流和功率的增加，42CrMo钢试样的表面淬火硬度、淬火硬化宽度及其深度均逐步增加。根据工件的服役要求，由此可确定适宜的电子束相变硬化工艺参数规范。,在相同电子束能量密度的条件下，不同材料的硬化深度是有差异的。图12-6给出了这种差异。,图126电子束的能量密度与其硬化深度的关系142GrMo钢、235钢、39Mn2V钢,.,48,12.3.3电子束熔凝处理,一、电子束熔凝处理原理电子束熔凝处理是利用电子束辐照金属表面，使其迅速达到其熔点以上，形成过热状态、此刻整体金属尚处于冷态，则基底金属就成为熔化金属的“淬火剂”,将其迅速冷却至室温。因电子束加热和冷却速度高达104/s。故称之为快速熔凝，这与激光快速熔凝原理相似。电子束快速熔凝可在一定程度上保持液态下两组元完全互溶的特性，使第二相来不及分离就凝固了。,.,49,三、金属材料的电子束熔凝处理的应用,1、改善合金的表层组织铸造合金一般都存在有氧化物、硫化物等夹杂和疏松。它们在表面层中会降低工件的疲劳强度、抗蚀性和耐磨性。用电子束将工件表面熔化到一定深度，使其中的氧化物、硫化物等夹杂溶解，借助电子束加热后的快冷可以得到细化的枝晶和细小的夹杂。,.,50,目前国内外电子束熔凝主要集中在工模具的应用上,一般而言，常规模具热处理多是采用整体处理，其目的是为了获得一定强度的同时，保证服役时所需的韧性。但是有许多模具的工作刃口的工作条件在很大程度上与其内部的工作条件不同，因而需要在一定尺度的范围内改变表层的性能。,.,51,采用电子束局部熔凝处理是改善表层性能的有效方法,为了保持或改善模具韧性的同时，局部提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性。采用电子束局部熔凝处理是一个有效的方法。某些模具钢在电子束快速熔凝处理后，形成了极细的组织，提高了碳化物的弥散度，并能改善合金元素及碳化物分布，因而使材料的表面硬度和热稳定性大大提高。,.,52,2、强化表面层,金属材料经电子束快速熔凝处理之后。其表面层可以被明显地强化。铸态高速钢直接用电子束熔凝处理的显微硬度几乎接近在12101250整体淬火的显微硬度。这意味着在一定条件下铸态电子束快速熔凝处理的强化效果几乎与铸态整体淬火的强化效果相当，即前者可以取代后者。另一方面，经整体淬火的高速钢再用电子束熔凝处理时，其显微硬度没有大的变化。但其组织在一定程度上被细化。,.,53,例如,柴油机引擎活塞环经电子束熔凝处理之后，快速磨损试验和装车考核试验证明其活塞环的磨损量明显减小，其使用寿命提高35倍。高速钢孔冲模具经电子束快速熔凝处理之后，其冲孔件数由原来的大约1.6万件增加到34万件。,.,54,12.3.5电子束合金化,一、电子束合金化原理电子束合金化原理与激光合金化原理有许多相似之处。电子束合金化原理是采用高能量密度的电子束快速作用在金属表面上，通过精确控制电子束的功率密度和作用时间，将一种或多种合金物质快速熔入金属表面薄层熔区，使之发生物理变化或化学变化。从而使金属表面具有特定的合金成分的材料表面强化技术。,.,55,该技术具有两大特点:,能在材料表面进行各种合金元素的合金化。以改善材料的表面性能。能在零部件需要强化的关键部位，有选择性地进行局部合金化。,.,56,二、电子束涂覆处理的原理,它是将改善工件表面性能的金属合金或金属化合物甚至陶瓷粉末用粘结剂涂敷于工件表面，然后用电子束加热熔化涂敷的粉末层。形成一层新的合金表层，并与未熔化的基体相熔接，且存在明显的界面，不象表面合金化处理那样有明显的过渡层和涂敷物质的化学成分变化。,.,57,二、电子束合金化工艺,首先要根据处理工件表面的性能要求。合理地选择涂敷用的合金粉末。常用的粉末有铁基、镍基、钴基、碳化物涂覆粉末，各类合金混合粉末及硬质合金粉末等。各类碳化物粉末可用于要求耐磨的表面，其合金化层的表面硬度可以达到65HRC以上。对要求耐热、耐腐蚀性的表面可选用高铬、高钴粉末。若要求提高强度的合金化层，可选用各类合金的混合粉未。,.,58,粉末的熔点一定要高于或接近基体金属材料的熔点,值得注意的是无论用何种合金粉末，其粉末的熔点一定要高于或接近基体金属材料的熔点，至少两者的熔点差不大。否则在电子束合金化过程中，容易发生粉末的烧损或飞溅，而且会影响合金化层的宏观质量，即表面粗糙度。试验结果表明，只要粉末选择适当，各种常用金属材料均可实现电子束合金化处理。,.,59,将电子束合金化处理与激光合金化处理相比较表明:,由于电子束合金化处理过程均是在真空状态下完成的，因而激光合金化的送粉技术不适用于电子束合金化。在电子束合金化过程中，人们常常采用预涂覆的方法，即所需的合金化材料在电子束作用之前已预引入到了基体的表面上。这是电子束合金化的关键之一。,.,60,预涂敷法主要包括两种技术,一种技术是采用各种粘结剂，在电子束加热作用之前，将合金粉末与粘结剂相混合，制成糊状，均匀涂刷在试样的表面。这类粘结剂主要包括有机和无机两大类粘结剂。相对而言，无机粘结剂的高温粘结性能较好。当粘结工艺和电子束加热工艺匹配适当时，在电子束加热熔化过程中基本上可以有效地减少合金粉末的溅射损失。从经济的角度上看，粘结剂法是可行的。但是这种预引入层的导热性很差，需要损失较多的熔化能量。,预引入的另一种技术是采用热喷涂、电镀或其它物理沉积方法，将特定的合金粉末涂敷在金属表面。再用电子束作用在预涂敷层上。当电子束的加速电压较小时，用粘结剂法和热喷涂法看不出明显的差别。但当用较高的加速电压时，粘结的合金粉末常常被高能电子击飞，形成溅射，反之用氧乙炔火焰或等离子喷涂形成的预涂覆层则不存在上述现象，其结合较为理想。,.,62,12.4离子束表面改性,12.4.1离子束产生的物理基础离子束实际上是一种带正电的离子。其性质在某些方面类似于电子，例如可以借用电场力或磁场力的作用使其聚焦或改变运动轨迹。,.,63,离子束加工所用的各种元素的离子，一般都可以通过气体放电而产生,气体放电时。电子与气体原子发生碰撞而使其电离，从而得到等离子体。从宏观上看，等离子体表现出电中性。因而，只要采用一个相对于等离子体为负电位的电极，就可以从等离子体中引出正离子，并使其加速运动，获得足够动能。,离子束的产生过程如图所示。将选定的某种元素的原子在离子源1中电离成离子。然后经引出电极，进入加速系统2。经过离子加速器的作用，即在10500kV高压的作用下，使每个离子得到能量qV。通过选分系统3将能量为qV的不同质量的离子偏转不同的角度，从中选分出特定能量和质量的单一种离子。分选出的离子再经过聚焦磁场4和扫描磁场5进入工作室，并作用在工件6上。,.,65,离子束处理要求在中空状态下进行,为了减少离子束流在沿着预定的路径前进中不与其它物质发生碰撞，形成传输损失，从形成离子到作用在工件上的全过程中，整个系统都必须保持真空状态。其真空度要求至少为1.3310-31.3310-5Pa。,.,66,任何离子束设备的关键部位都是离子源。而离子源的关键是要能够提供均匀的高密度的等离子体，这可以通过两种途径来实现。,(1)金属材料如CrCrCr(固)(气)Cr+（等离子体）（2）气体材料如N2N2N+（等离子体）+N2+（等离子体）如何使气体放电电离并能持续进行，是离子源能否正常工作的关键。气体放电有许多类型，常用的方式主要包括：高频放电型、电子振荡型、低电压光放电型、双等离子电弧放电型。,.,67,离子束镀膜机,.,68,12.4.2离子注入的特点,金属的离子注入就是在离子注入机中把各种所需的离子，加速成具有几万甚至几百万电子伏特能量的载能束，并注入于金属固体材料的表面层。离子注入将引起材料表层的成分和结构的变化以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动，由此导致材料的各种物理、化学或力学性能发生变化。,离子注入原则上可以将任何元素注入到某一固体之中。利用这种方法有可能得到不同于平衡结构的特殊物质，即在基体中进行原子级混合以形成用其它方法所不能得到的新材料。离子注入一般在常温或低温下进行。整个过程均在真空中完成，因而表面处理中无氧化和脱碳现象。离子注入后，测不出工件的尺寸变化，能保持原有的尺寸精度和表面粗糙度。在某些情况下，由于溅射效应，工件的表面粗糙度还会有一定程度的改善。,.,70,离子注入的仅适用于某些应用领域,离子的注入层是较薄的。通常离子注入层的厚度不大于1。因此离子注入表面改性技术的应用受到限制。它仅适用于某些应用领域，例如抗磨损抗腐蚀场合，特别是精密工件或零件的耐磨要求。且其磨损速率不宜太大，使用温度不宜过高。,.,71,12.4.3离子注入强化机制,研究表明，当各种离子注入基材表面后，基材表面性能将发生很大的变化，主要表面在硬度和强度升高，耐磨、耐蚀和抗疲劳性能增加。金属材料的四种主要强化机理：固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化，在离子注入材料表面时都得到了充分体现。离子注入的强化机制表现在以下方面：,.,72,1、固溶强化,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和置换固溶强化。间隙固溶强化主要发生在注入原子与基材直径之比低于0.15时置换固溶强化则发生在注入原子直径之比为0.15以上。对于金属合金而言，注入溶质原子的浓度Cs(%)与其屈服应力的增量间存在下列关系式；,.,73,2、位错强化,载能离子注入金属表面后，由于能量传递及离化效应，形成了辐射损伤。由此形成大量空位和空位团及间隙原子。这些晶体缺陷积聚在表面最终形成了密集的位错网络，增大了位错密度，从而使表面强化，再加之注入离子与位错的交互作用阻碍了位错运动，则使表面进一步被强化。,.,74,对于多晶纯金属而言，由位错强化造成的强化增量与位错密度之间有如下关系,式中，G为金属的切变弹性模量。b为位错的柏氏矢量；为强化系数。其值因材料而异，纯金属=0.50.8，固溶体合金=0.91.3，有析出相合金=1.41.8。,.,75,3、晶界强化或细晶强化,晶界是位错运动的障碍，晶粒细化即提高了材料的强度，又改善了材料的塑性和韧性，因此晶粒细化是改善材料机械性能的最好手段。离子注入可在各种温度下，经过离子碰撞将基体中大晶粒细化成更密集的小晶粒，这种特性在于，无论使用何种离子，也不管是什么样的基体，只要注入量足够大，均可使晶粒显著细化。,.,76,4、弥散强化,当金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时，可在金属中析出各种碳化物、氮化物、氧化物或磷化物等弥散相，这些弥散相通常具有很高的硬度，它们的弥散析出提高了金属材料的强度。弥散强化的实质是位错与微粒子之间的交互作用，使注入元素与基体元素形成高硬度的化合物，如氮化钛、碳化钨等等。如高剂量的N+注入钢中后形成了复杂的氮化物，其沉淀产生了弥散强化效应。,5、晶格变换效应当注入的元素含量超过一定程度时，有可能使基材的晶体结构由一种形式向别一种形式转换，导致注入层的表面性能发生很大的变化，实质上是形成了新的材料。6、压应力效应离子注入处理能把20%50%的材料加入近表面区，使表面成为压缩状态。这种压缩应力能填实表面裂纹，阻碍材料从表面剥落，从而提高耐磨损能力,.,78,7、非晶强化,当离子注入达到一定程度后，可以在基材表层引起非晶态转变，非晶材料无位错和晶界，具有许多突出优点，具有很高的耐磨性和抗腐蚀性。目前已经得到数十种非晶态金属玻璃。,.,79,12.4.4离子注入非晶化,非晶态合金材料具有许多优异的电磁学、力学和化学性能，例如非晶合金阳极材料比铂族合金涂层阳极的使用寿命高1520倍，而成本降低3倍，节约电能30。仅我国氯碱生产工业中应用非晶合金阳极材料每年就可节电约10亿度。因此，非晶合金引起了材料科学工作者的极大兴趣。,.,80,离子注入形成非晶态材料的机理,在离子注入过程中，由于级联碰撞，将形成大量的晶体缺陷。在高剂量离子注入下，由于注入所产生的损伤重叠，造成极高的位错密度。由于每种金属所能维持的位错密度有一个固有的极限值，以能保持其晶体结构的周期性，例如Cu的位错密度极限值约为10121013条/cm2。所以在常规条件下，金属中的位错密度是低于其极限位错密度值的。,在高剂量的离子注入下，它是一种远离平衡状态的强制性的破坏手段，可使基体金属内形成的位错密度超过材料的固有极限值。在一般条件下，位错心部的能量是由其周围晶格内滑移平面的抗剪强度所维持的。在高位错密度下，每一位错的周围没有足够的晶格维持这种剪切抗力，从而使整个晶格崩溃以致形成非晶态。这就是高密度位错导致非晶形成的原因。,.,82,试验表明，被离子注入的金属内部。形成的应力密度高达105106Ncm2。这种极高的应力密度可以导致晶体的相变，即产生应力相变效应。相变后的状态可能是晶态，也可能是非晶态。离子注入所引起的晶体相变是使金属