高能束表面改性.ppt高能束表面改性资料.ppt

1、1、 激光表面处理 2、 电子束表面处理 3、 离子注入表面改性,1、激光表面处理,主要内容： 1、激光的特点 2、激光表面处理设备 3、激光表面处理技术,激光（Laser）,通过辐射线的受激放射达到光的放大，简称激光。,1.1 激光的特点,1.高单色性 激光具有相同的位相和波长，其频率组成范围非常狭窄，就是受激辐射光单色性非常好。精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。 2.高方向性 激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度，可以认为光束基本上是平行的。激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度。,3.高相干性 相干性主要描述光波各个部分的相位关系。因为它

2、的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来，这就叫相干性高。 4.高亮度 激光器发射出来的光束非常强，聚集后的功率密度可达1014W/cm2，在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。,激光器的基本构成 增益介质 光放大器（粒子反转，粒子数不再遵守Boltzman 分布） 泵浦源 为放大器提供能量（闪光灯、放电、其它激光等） 光谐振腔 将受激放大的光储存在腔模中（增加放大器等效长度， 增加模密度）,1.2 激光表面处理设备,增益介质，2. 泵浦源，3. 反射镜， 4.输出功率藕合器，5. 激光束,

3、激光器示意图,1.2.1 激光器的分类,按工作物质：气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等 按运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、稳频激光器、可调谐激光器 按波长：红外激光器、可见光激光器、紫外激光器、毫米波激光器、X射线激光器等泵 按泵浦方式：电激励激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、热能激励激光器等 按谐振腔：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器折叠腔激光器等,根据工作物质分类,半导体激光器,：同质结，异质结，量子阱,主材料：晶体或玻璃 晶体：1)金属氧化物 Al2O3，氧化钇Y2O3，钇铝石榴石Y3Al5O12（YAG）。 2)铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等。铝酸钇

4、YALO3(YAP)、氟磷酸钙Ca(PO4)3F等。 3) 氟化物晶体：氟化钙CaF2、氟化钡BaF 玻璃：硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃 （有高的机械强度、高的导热特性） 掺杂材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+，Sm2+，Er2+） 过渡金属（Cr3+，Ni3+）,1.2.2 固体激光器,固体激光器的特点,能量大，峰值功率高 结构紧凑、牢固耐用 连续输出功率不如气体激光器,固体激光器基本结构,工作物质 泵浦源 谐振腔 冷却系统 滤光系统,固体激光器基本结构示意图,第一台红宝石激光器原理图,1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器,（1）红宝石（Cr3+：Al2O3)激

5、光器,红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体（重量比为0.03%0.07%)，吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，各向异性晶体，具有双折射。,1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器,缺点： 需要高能量的泵浦光源 较低的效率 冷却困难，使输出脉冲频率不能太高,优点： 温度效应明显 激光上能级寿命长，有利于储能，输出能量大 激光器输出红光，适合应用需要。,红宝石激光器的特性,（2）钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）,将一定比例的A12O3、Y2O3，和 Nd2O3 在单晶炉中进行熔化结晶而成。 Nd2O3的重量比为0.725%（掺入约

6、1%原子百分比的钕离子），晶体呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3)。,YAG激光器结构示意图,Nd-YAG激光器的特性,激光为近红外不可见光，保密性好 工作方式可以是连续的，也可以是脉冲式的 波长短，金属材料的吸收率高，光纤传输,YAG激光器的泵浦灯和激光棒结构示意图,1.2.3 气体激光器,原子气体激光器 工作物质为未电离的气体原子，如He-Ne激光器 分子气体激光器 工作物质为未电离的气体分子，如CO2激光器、氮分子激光器 离子激光器 如氩离子激光器和氦镉离子激光器,气体激光器的特点,气体激光器的工作物质：气体或蒸汽 波长范围：紫外到红外 优点： 1.工作物质均匀性好，光束质量好 2.

7、 连续输出功率高 3. 转换效率高 4. 结构简单 5. 成本低 应用：准直、导向、计量、材料加工、全息术、医学、农业育种、国防等,工作物质为二氧化碳，加入氮气、氦气作为辅助气体，以提高输出功率和效率。 主要特点：输出功率和能量相当大，既能连续工作，又能脉冲工作，峰值功率高，能量转换效率达2025%；输出波长分布在918 m，已观察到上百条谱线，其中10.6m最重要。,（1）CO2激光器,CO2激光器基本结构,(1) 放电特性,相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。,(2) 温度效应,CO2激光器将有60

8、以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。,输出特性,分类：有机化合物液体激光器(染料激光器) 无机化合物液体激光器(无机液体激光器) 特点：波长可调谐，调谐范围广 可产生极短的超短脉冲(10-15s) 可获得窄的谱线宽度(10-5-10-6nm),1.2.4 液体激光器,染料激光器结构示意图,工作物质：半导体材料如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、碲锡铅(PbSnTe)

9、特点：体积小、效率高、结构简单、成本低 应用：光纤通讯、光盘、准直、显示等,1.2.5 半导体激光器,1.2.6 激光与物质的作用机理,激光与物质作用的几个阶段： 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。,1.2.6 激光与物质的作用机理,（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,1.3

10、激光表面处理技术,1.3.1 激光淬火,极快的加热速度和冷却速度 柔性好，易于自动化生产 精密节能 自淬火,也称激光相变强化。是在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热，并在激光停止辐射后快速自冷却使表面硬化的一种工艺方法。,激光淬火实例,齿轮的激光强化，比常规热处理高的表面硬度及硬度分布均匀的相变硬化层，从而提高其耐磨、耐蚀、耐冲击和耐疲劳性能，且激光强化过程中工件变形小。,柴油机曲轴的激光强化，发动机台架试验证明，激光强化后的曲轴颈平均磨损比普通淬火减少90%，曲轴的耐磨性提高1倍以上。,曲轴轴颈表面激光强化,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

11、覆盖一层薄的具有特定性能的涂层技术 都是形成合金层，提高工件性能，延长工件使用寿命。 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,1.3.2 激光合金化和激光熔覆,粉末预置,同步送粉,同轴送粉,侧向送粉,激光合金化和激光熔覆原理,激光熔覆工业应用实例,耐腐蚀（包括耐高温腐蚀）和耐磨损。应用的实例如内燃机的阀和阀座的密封面的激光熔覆，水、气和蒸汽分离器的激光熔覆等。,激光合金化和激光熔覆实例,轴类零件表面激光熔覆,冶金轧辊激光合金化,激光非晶化:是利用激光快速加热和快速冷却的特点加热材料表面使其熔化，并以大

12、于一定临界冷却速度急冷至低于某一特征温度，以抑制晶体形核和生长，从而获得非晶材料的技术。 与急冷法制得的非晶态合金相比，激光法制取的非晶态合金优点：冷却速度高；激光非晶态处理还可减少表层成分偏析，消除表层的缺陷和可能存在的裂纹。,1.3.3 激光非晶化,激光冲击硬化：激光冲击硬化主要是利用强激光与材料表面相互作用产生的力学效应强应力波来改善材料的性能。激光使材料表面薄层迅速汽化，产生冲击波。 使金属产生强烈的塑性变形，可强化焊缝热影响区的金属，还可以阻止或延缓材料内部裂纹的产生及扩展。,1.3.4 激光冲击硬化,低碳钢激光冲击硬化示意图,2、电子束表面处理,主要内容： 1、电子束表面处理的主要

13、特点 2、电子束表面处理工艺 3、电子束表面处理设备 4、电子束表面处理应用,电子束是一束集中的高速电子。 特点： 它的速度取决于加速电压的高低，可达到光速的2/3左右。 具有高的功率和功率密度的电子束撞击材料表面，可使能量沉积在材料的亚表层区域，并可形成亚稳金属合金。 可在几分之一秒甚至千分之一秒把金属材料由室温加热至奥氏体转变温度或熔化温度。,2.1 电子束简介,电子束表面处理原理： 高速运动的电子具有波的性质，当高速电子束照射到金属表面时，入射电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。由于入射电子与原子核的质量差别极大，和原子核的碰撞可以看作是弹性碰撞。因此，能量

14、传递主要是通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的，所传递的能量立即以热能的形式传给金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高，使表层成分和组织结构发生变化，达到表面改性的效果。,2.2 电子束表面处理原理,（1）电子束的加热和冷却速度快。 （2）电子束表面处理设备整体结构相对简单。 （3）电子束与金属表面偶合性好。 （4）电子束能量的控制比较方便。 （5）电子束加热时能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎同时熔化。 （6）电子束加热的液相温度相对于激光加热偏低，因而温度梯度较小。 （7）工件尺寸受真空室的限制，尤其是对大批量流水线生产来说更是无法接受。 （8）当使用电压超过150 k

15、W时，电子束易激发X射线，使用过程中应注意防护。,2.3 电子束表面处理特点,电子束表面改性,电子束表面精细化,电子束预涂气体合金化,电子束表面非晶化,电子束预涂敷层合金化,固态相变,电子束表面淬火,电子束表面合金化,电子束表面熔覆,电子束表面熔凝,液态相变,不同材料电子束处理的技术分类,2.4 电子束表面处理工艺,电子束以很高的速度轰击金属表面，电子与金属材料中的原子相碰撞，给原子以能量，使金属表面温度迅速升高。当材料被加热到奥氏体点以上、熔点以下时，采用自身淬火冷却，达到表面硬化层。由于自身冷却的冷速可以超过105 K/s，获得的表面硬化层的硬度比感应加热、火焰加热等高出几个HRC单位，组

16、织也更为细化。,2.4.1 电子束表面淬火,电子束表面淬火（HE）和常规淬火（H）的硬度对比,图为几种钢材经电子束加热表面淬火和常规淬火得到的硬度的对比，可见硬度值提高34个HRC。,将具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金属表面上，然后用电子束加热熔化，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，使零件表面形成一层很薄的具有良好性能的合金表面层，从而使金属表面能获得很好的耐磨、耐腐蚀及耐热的性能。 合金化可分为两种，即重熔和熔合。,2.4.2 电子束表面合金化,电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化处理相似，只是所用的热源不同而已。利用聚焦的电子束所特有的高功率密度以及作用时间短等特

17、点，可在表面的下层受热最小的情况下，使材料的表面熔化形成小液池，这样便能获得极快的冷却速度。 由于快速凝固细化显微组织，可获得致密性极好的非晶态层，这种非晶态组织具有很高抗腐蚀与抗疲劳的性能。,2.4.3 电子束表面非晶化,熔覆包括两种工艺方法，其一是把重熔的涂层材料沉积在基体表面上，其二是采用机械送丝或把涂层材料的粉末注入电子束位于金属工件的斑点。 从概念上讲，熔覆是一种与焊接中的搭接和喷熔相似的工艺，只不过加热的能源变成电子束而已。该工艺常用于制造绝热、耐腐蚀及耐磨损的涂层（如液压件），还可用于修复损坏的机械零件（如涡轮机的工作面）等。,2.4.4 电子束表面熔覆,电子束热处理装置由七部分

18、组成，即电子枪、高压油箱、聚焦系统、扫描系统、真空工件室、真空系统和监控系统。,2.5 电子束表面处理设备,下图为电子枪结构示意图，电子枪由加热灯丝（电子发射源）、阴极、阳极（电子加速）、聚束极（电子束收束）、偏转系统（电子束偏转）、电磁透镜和合轴系统等组成。,基本上仍是以钢和铸铁的电子束淬火为主。 电子束表面淬火的工件主要有： 型零件，如滑槽的凸缘，导轨的轨道底板，机床紧固装置上的导向平面和台板等； 周边要进行淬硬的旋转对称部件，例如套筒、转动轴、 心轴等； 锥形外表面或内表面要淬硬的旋转对称部件，例如阀门、锥齿轮等。 几何形状和外观规则或不规则的特殊零件，如凸轮盘、连接元件、正齿轮圈等；,

19、2.6 电子束表面处理应用,3、离子注入表面改性,主要内容： 1、离子注入的原理 2、沟道效应和辐照损伤 3、离子注入的特征 4、离子注入表面改性的机理 5、离子注入表面改性的应用,离子束实质是一种带正电的离子,离子注入（Ion implantation）: 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。,离子注入装置简图,3.1 离子注入简介,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,3.2 离子注入基本过程,3.2.1 离子注入设备,离子注入设

20、备,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。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，导致材料的各种物理、化学或力学性能发生变化，达到表面改性的目的。 在离子注入过程中，具有一定动能的离子射入固体后，就与固体表层内的原子核和电子发生随机碰撞。,3.3 离子注入原理,3.4 沟道效应,沟道效应：当注入离子沿着基材的晶向注入时，则注入离子可能与晶格原子发生较少的碰撞而进入离表面较深的位置，这一现象称为沟道效应。 沟道效应导致对注入离子在深度控制上有困难，使离子的注入距离超出预期的深度，使元件的功能受损。,将

21、晶片对离子注入的运动方向倾斜一个角度，如沿沟道轴向(110)偏离710o，减小开口 在晶体表面铺上一层非结晶的材质，使入射的离子在进入衬底前在非晶系层里与无固定排列方式的非晶系原子产生碰撞而散射，降低沟道效应的程度 先进行一次轻微的离子注入，将晶片表面的晶体结构破坏成非晶态，再进行真正的离子注入。,3.4.1 减少沟道效应的措施,（111）硅一般采取偏离晶向7，平行偏转15的注入方法,3.5 辐照损伤,高能离子注入表面层后与靶原子发生一系列碰撞，使晶格原子产生足够能量而发生离位，结果产生一系列的空位间隙原子对及其它类型晶格无序的分布。,辐照损伤示意图,3.6 离子注入的特征,（1）非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的23个数量级。因此，原则上讲，周期表上的任何元素，都可注入任何基体材料。 （2）注入元素的种类、能量、剂量均可选择，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。 （3）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。,（4）离子注入控制电参量，故易于精确控制注入离子的浓度分布，此分布也可以通过改变注入