材料表面工程第十二章PPT学习教案

1、会计学1 材料表面工程第十二章材料表面工程第十二章PPT课件课件 第1页/共51页 三束流用于材料表面加热时，由于加热速度极快，整个基三束流用于材料表面加热时，由于加热速度极快，整个基 体的温度在加热过程中可以不受影响。体的温度在加热过程中可以不受影响。 用三束流直接加热的材料表层一般深度在几微米。用三束流直接加热的材料表层一般深度在几微米。 电子束、离子束的脉冲宽度可短至电子束、离子束的脉冲宽度可短至10 9s，激光的脉冲宽度，激光的脉冲宽度 可短至可短至10 12s，在被照物体上，由表面向里能够产生，在被照物体上，由表面向里能够产生106 108K/cm的温度梯度，使表面薄层迅速熔化。的温

2、度梯度，使表面薄层迅速熔化。 冷的基体又会使熔化部分以冷的基体又会使熔化部分以1091011K/s的速度冷却，致使的速度冷却，致使 固液界面以每秒几米的速度向表面推进，使凝固迅速完成。固液界面以每秒几米的速度向表面推进，使凝固迅速完成。 第2页/共51页 高能束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成高能束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成 分或结构实现的，分或结构实现的，成分的改变包括表面合金化和熔覆成分的改变包括表面合金化和熔覆；结结 构的改变包括组织和相的改变构的改变包括组织和相的改变。 利用高能束的表面合金化的重要特点是可以获得结构上的利用高能束的表面合金化的重要特点是可

3、以获得结构上的 亚稳组织亚稳组织。用平衡凝固的方法生产的合金不能满足需要。用平衡凝固的方法生产的合金不能满足需要 时，亚稳合金往往具有优异的抗蚀能力及较高的机械强时，亚稳合金往往具有优异的抗蚀能力及较高的机械强 度。度。 第3页/共51页 第4页/共51页 12-2 激光束技术激光束技术 12-2-1 激光器的种类激光器的种类 目前工业上采用的激光器主要有目前工业上采用的激光器主要有YAG激光器激光器和和CO2激光器激光器。 YAG激光器是固体激光器，其工作物质激光器是固体激光器，其工作物质 是掺有钕离子的钇铝石榴石晶体，连续是掺有钕离子的钇铝石榴石晶体，连续 输出功率较小，大多为输出功率较小

4、，大多为 500W 左右，最左右，最 高可为高可为 l kW，波长为，波长为1.06 m。 CO2激光器是气体激光器，以激光器是气体激光器，以CO2为工作为工作 气体，其连续输出功率要高得多，气体，其连续输出功率要高得多， 15 kW的属中等功率，的属中等功率，520kW的属高功率的属高功率 激光器，波长为激光器，波长为10.6 m。 第5页/共51页 12-2-2 激光束与金属的交互作用激光束与金属的交互作用 金属激发态电子与原子点阵碰撞的能量弛豫时间约为金属激发态电子与原子点阵碰撞的能量弛豫时间约为 10 12 s，激光的脉冲宽度可短至，激光的脉冲宽度可短至10 12s，因此激光束的，因此

5、激光束的 能量会很快转变为晶格的动能。能量会很快转变为晶格的动能。 金属对激光波长的吸收因金属而异，一般为金属对激光波长的吸收因金属而异，一般为10 m左右左右 。 在临界波长以上，金属的反射率非常高，在在临界波长以上，金属的反射率非常高，在90以上；以上； 在临界值以下，反射率急剧减小。在临界值以下，反射率急剧减小。 第6页/共51页 第7页/共51页 12-2-3 激光加工的种类激光加工的种类 用不同的激光功率密度和作用时间，可以对金属进行不同的加工。用不同的激光功率密度和作用时间，可以对金属进行不同的加工。 第8页/共51页 12-2-4 激光相变硬化激光相变硬化 1激光相变硬化的特点激

6、光相变硬化的特点 1)加热和冷却速度高：加热速率可达加热和冷却速度高：加热速率可达105109 C/s； 对应的加热时间为对应的加热时间为10 91 7s； 冷却速率可达冷却速率可达104107 /s。 2)硬度硬度高高：激光淬火层的硬度比常规淬火层提高：激光淬火层的硬度比常规淬火层提高1520。 第9页/共51页 第10页/共51页 2激光熔化淬火激光熔化淬火 提高激光功率，或者减小光束直径、减小扫描速率，对提高激光功率，或者减小光束直径、减小扫描速率，对 金属扫描时，表面薄层被熔化，当光束离开时，由于冷金属扫描时，表面薄层被熔化，当光束离开时，由于冷 的基体的散热作用，会产生固相相变硬化，

7、使表层可产的基体的散热作用，会产生固相相变硬化，使表层可产 生一层液体金属的激冷组织，这种硬化技术称为激光熔生一层液体金属的激冷组织，这种硬化技术称为激光熔 化淬火，可使晶粒大大细化。化淬火，可使晶粒大大细化。 第11页/共51页 3激光非晶化激光非晶化 用激光的手段在金属表面上制得一非晶层的技术，称为激用激光的手段在金属表面上制得一非晶层的技术，称为激 光上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。光上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。 非晶体合金与对应的晶体相比，强度、韧性和硬度都高，非晶体合金与对应的晶体相比，强度、韧性和硬度都高， 导磁性可与镍铁铝超级导磁合金媲美，电阻为晶体的导磁性可与镍

8、铁铝超级导磁合金媲美，电阻为晶体的23 倍，耐蚀性超过不锈钢，但耐疲劳性不及晶体。倍，耐蚀性超过不锈钢，但耐疲劳性不及晶体。 第12页/共51页 4激光退火激光退火 激光退火一般用于半导体材料。当硅片和砷化镓片进行离子激光退火一般用于半导体材料。当硅片和砷化镓片进行离子 注入后，由于出现晶格缺陷，注入层会失去电子活性，为了注入后，由于出现晶格缺陷，注入层会失去电子活性，为了 消除缺陷，使晶体结构有序化，就必须使半导体晶体在高温消除缺陷，使晶体结构有序化，就必须使半导体晶体在高温 下进行退火。下进行退火。 第13页/共51页 第14页/共51页 第15页/共51页 12-2-5 激光表面合金化与

9、激光熔覆激光表面合金化与激光熔覆 1 激光表面合金化激光表面合金化 把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式添加到基体金属表面把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式添加到基体金属表面 上，通过激光加热使其与基体表面共熔而混合，形成表面上，通过激光加热使其与基体表面共熔而混合，形成表面 特种合金层，称为激光表面合金化。特种合金层，称为激光表面合金化。 第16页/共51页 第17页/共51页 向表面加入合金粉末的方法向表面加入合金粉末的方法：共沉积法和预沉积法。：共沉积法和预沉积法。 共沉积法共沉积法是激光照射的同时送人粉末，需要精度较高的是激光照射的同时送人粉末，需要精度较高的 送粉设备。送粉设备。 预沉积法

10、预沉积法是预先涂上一层合金涂膜，然后用激光重熔。是预先涂上一层合金涂膜，然后用激光重熔。 预涂的方法主要有：粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀预涂的方法主要有：粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀 、化学镀、预置薄板或金属箔等。、化学镀、预置薄板或金属箔等。 第18页/共51页 通过熔化，表面膜通过熔化，表面膜A和部分基体和部分基体B把薄膜元素可控制地结合入基体把薄膜元素可控制地结合入基体B中中 。液态混合之后发生快速的再凝固，从而使合金化元素被结合到基体。液态混合之后发生快速的再凝固，从而使合金化元素被结合到基体 表面区附近。表面区附近。 第19页/共51页 第20页/共51页 第21页/共51页 第

11、22页/共51页 第23页/共51页 激光熔覆用合金粉末的基本要求激光熔覆用合金粉末的基本要求： 具有希望的性能；具有希望的性能； 热胀系数应尽可能接近基体；热胀系数应尽可能接近基体； 熔体对基体要有良好的润湿性；熔体对基体要有良好的润湿性； 有良好的脱氧除气、除渣能力；有良好的脱氧除气、除渣能力； 熔点不应太高。熔点不应太高。 目前采用最多的是镍基、铁基及钴基自熔合金粉末。目前采用最多的是镍基、铁基及钴基自熔合金粉末。 陶瓷涂层的激光熔覆也有较多的研究。陶瓷涂层的激光熔覆也有较多的研究。 第24页/共51页 铝合金的激光熔覆铝合金的激光熔覆： 由于铝基体太软，在其表面熔覆一硬的耐磨层，意义特

12、由于铝基体太软，在其表面熔覆一硬的耐磨层，意义特 别重大。别重大。 遇到的最困难问题是，熔覆层的熔点都要大大高于铝。遇到的最困难问题是，熔覆层的熔点都要大大高于铝。 能量一高，界面铝层就会大量熔化，熔铝由于比重较小能量一高，界面铝层就会大量熔化，熔铝由于比重较小 ，会迅速上浮，使覆层稀释，形成大量软区。，会迅速上浮，使覆层稀释，形成大量软区。 若采用适当的工艺则可以获得稀释度很小而又有良好结若采用适当的工艺则可以获得稀释度很小而又有良好结 合力的熔覆层。合力的熔覆层。 铝合金的激光熔覆目前已在国外获得应用。铝合金的激光熔覆目前已在国外获得应用。 第25页/共51页 第26页/共51页 12-3

13、-1 注入离子的产生注入离子的产生 气态元素的离子化比较容易，例如把气态元素的离子化比较容易，例如把N2引入装置的离子源引入装置的离子源 内，在高温灯丝加速电子的情况下，氮离子被电离，形成内，在高温灯丝加速电子的情况下，氮离子被电离，形成 等离子体，正离子经由狭缝从离子源中被抽出，随后被加等离子体，正离子经由狭缝从离子源中被抽出，随后被加 速。速。 金属离子的电离较为复杂，需要比较复杂的设备。产生金金属离子的电离较为复杂，需要比较复杂的设备。产生金 属离子束，要先加热离子源中的挥发性金属化合物。属离子束，要先加热离子源中的挥发性金属化合物。 第27页/共51页 离子注入机的结构示意图：离子注入

14、机的结构示意图： 正离子从离子源中引出后，正离子从离子源中引出后， 具有一定的初速度。具有一定的初速度。 磁分析器从引出的正离子中磁分析器从引出的正离子中 选出所需要注入的纯度极高选出所需要注入的纯度极高 的离子。的离子。 加速管将选出的正离子加速加速管将选出的正离子加速 到所需能量，以控制注入深到所需能量，以控制注入深 度。度。 聚集扫描系统将离子束聚焦聚集扫描系统将离子束聚焦 扫描，有控制地注入工件的扫描，有控制地注入工件的 表面。表面。 第28页/共51页 第29页/共51页 2注入掺杂强化注入掺杂强化 N，B等注入元素被注入金属后，与金属形成等注入元素被注入金属后，与金属形成 -Fe4

15、N， CrN，TiN等氮化物，等氮化物，Be6B，Be2B等硼化物星点状嵌于材料等硼化物星点状嵌于材料 中，构成硬质合金弥散相，使基体强化。中，构成硬质合金弥散相，使基体强化。 第30页/共51页 3喷丸强化作用喷丸强化作用 高速离子轰击基体表面，有类似于喷丸强化的冷加工硬高速离子轰击基体表面，有类似于喷丸强化的冷加工硬 化作用。离子注入处理能把化作用。离子注入处理能把2050的材料加入近表面的材料加入近表面 区，使表面成为压缩状态。这种压缩应力能起到填实表面区，使表面成为压缩状态。这种压缩应力能起到填实表面 裂纹和降低微粒从表面上剥落的作用，从而提高抗磨损能裂纹和降低微粒从表面上剥落的作用，

16、从而提高抗磨损能 力。力。 4增强氧化膜、提高润滑性增强氧化膜、提高润滑性 离子注入会促进粘附性表面氧化物的生长，其原因是辐离子注入会促进粘附性表面氧化物的生长，其原因是辐 射温度与辐射本身对扩散的促进作用，该类氧化膜可显著射温度与辐射本身对扩散的促进作用，该类氧化膜可显著 减少摩擦系数。减少摩擦系数。 第31页/共51页 不同基体注入不同离子时对性能的影响：不同基体注入不同离子时对性能的影响： 第32页/共51页 12-4-3 离子注入技术的特点和应用离子注入技术的特点和应用 由于注入的离子纯洁，首先被用于半导体元件的制造，目前由于注入的离子纯洁，首先被用于半导体元件的制造，目前 市场上大部

17、分硅元件都采用该工艺制造。市场上大部分硅元件都采用该工艺制造。 随着高能量离子注入设备的开发，离子注入能力增大，许多随着高能量离子注入设备的开发，离子注入能力增大，许多 新的应用领域被开发。新的应用领域被开发。 第33页/共51页 第34页/共51页 离子注入技术主要特点离子注入技术主要特点： (1) 注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的23个数个数 量级。原则上讲，周期表上的任何元素，都可注人任何量级。原则上讲，周期表上的任何元素，都可注人任何 基体材料。基体材料。 (2) 注入元素的种类、能量、剂量均可选择，用这种方法形注入元素的种类、能量、剂量

18、均可选择，用这种方法形 成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的 限制，即可得到用其它方法得不到的新合金相。限制，即可得到用其它方法得不到的新合金相。 (3) 离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面，因此离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面，因此 表面不存在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。表面不存在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。 第35页/共51页 第36页/共51页 离子注入技术的缺点离子注入技术的缺点： 设备昂贵，成本较高，目前主要用于重要的精密关键部件设备昂贵，成本较高，目前主要用于重要的精密关键部件 。 离子注

19、入层较薄，如十万电子伏的氮离子注入离子注入层较薄，如十万电子伏的氮离子注入GCrl5钢中钢中 的的 平均深度仅为平均深度仅为0.1 m，这就限制了它的应用范围。，这就限制了它的应用范围。 离子注入不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件。离子注入不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件。 离子注入零件要在真空室中处理，受到真空室尺寸的限离子注入零件要在真空室中处理，受到真空室尺寸的限 制。制。 第37页/共51页 用离子注入改变材料的摩擦磨损性能用离子注入改变材料的摩擦磨损性能： (1) 减少表面摩擦力；减少表面摩擦力； (2) 提高表面抗磨损性。提高表面抗磨损性。 第38页/共51页 第39页/共51页

20、 第40页/共51页 离子注入在研究合金基础理论中的应用离子注入在研究合金基础理论中的应用 在合金的基础理论及显微状态研究中，离子注入有突出的在合金的基础理论及显微状态研究中，离子注入有突出的 特点：特点： (1) 离子注入可产生与相图无关的特定成分的混合物，这离子注入可产生与相图无关的特定成分的混合物，这 在与亚稳相有关的研究中显示出特殊的优越性。在与亚稳相有关的研究中显示出特殊的优越性。 (2) 离子注入元素的深度分布范围可控制，在单相的基体离子注入元素的深度分布范围可控制，在单相的基体 上可引入若干不同成分的层，通过观察各层间的溶质流动上可引入若干不同成分的层，通过观察各层间的溶质流动

21、，可解释多相平衡、溶质捕获这样的复杂问题。，可解释多相平衡、溶质捕获这样的复杂问题。 (3) 用离子沟道效应来分析离子注入注入后的基材，对于用离子沟道效应来分析离子注入注入后的基材，对于 研究溶质原子在晶格中的位置和研究捕获对象特别有用的研究溶质原子在晶格中的位置和研究捕获对象特别有用的 。 第41页/共51页 离子注入发展动向离子注入发展动向 离子注入技术的发展包括工艺的改进和应用领域的拓宽。离子注入技术的发展包括工艺的改进和应用领域的拓宽。 工艺改进主要体现在离子注人已由单纯的一次注入发展为工艺改进主要体现在离子注人已由单纯的一次注入发展为 轰击扩散镀层及离子束混合技术和不同能量的重叠注入

22、方轰击扩散镀层及离子束混合技术和不同能量的重叠注入方 法。法。 应用领域已广泛地用于电子、宇航尖端零件、重要化工零应用领域已广泛地用于电子、宇航尖端零件、重要化工零 件、医学矫形件以及模具、刀具和磁头的表面改质，而且件、医学矫形件以及模具、刀具和磁头的表面改质，而且 作为陶瓷和高分子材料的改性技术也引起人们关注。作为陶瓷和高分子材料的改性技术也引起人们关注。 第42页/共51页 12-4 电子束技术电子束技术 12-4-1 电子束对材料表面的作用电子束对材料表面的作用 电子束射到材料表面会同材料的原子核及电子发生交互作电子束射到材料表面会同材料的原子核及电子发生交互作 用。由于与核的质量差别极大，两者的碰撞基本上属于弹用。由于与核的质量差别极大，两者的碰撞基本上属于弹 性碰撞，能量传递主要是通过与基体的电子碰撞实现的。性碰撞，能量传递主要是通过与基体的电子碰撞实现的。 第43页/共51页 第44页/共51页 12-4-2 电子束表面改性电子束表面改性 电子束在真空条件下可以像激光束技术一样用于材料的表电子束在真空条件下可以像激光束