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第9章 高能束表面改性技术§9.1 激光表面改性技术§9.2 离子束表面改性§9.3 电子束表面改性;§9.1 激光表面改性技术;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;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;三???离子注入的特点 周期表上的任何元素，都可注入任何基体材料； 可得到用其它方法得不到的新合金相； 离子注入层与基体结合牢固； 易于精确控制注入离子的浓度分布； 工件表面无形变、无氧化； 可有选择地改变基体材料的表面能量，在表面内形成压应力。 ;轰击扩散镀层（BDC） 离子束混和（IBM）技术 等离子体浸没离子注入（PIII） ;§9.3 电子束表面改性 一、改性原理(请同学记录) 从阴极灯丝发出的电子束经过加速和聚焦后，成为高能量密度的电子束流，将其直接照射到工件表面，使其发生组织与成分变化，从而可以改善材料表面的耐磨性和耐蚀性。 二、电子束改性的方法(请同学记录) 电子束淬火? 电子束表面合金化 电子束覆层 制造非晶态层? ;三、电子束改性的特点 能量利用率非常高； 能量透入深度大； 在真空条件下进行； 对焦方便； 可通过电流任意控制束流偏转； 设备运转成本高。 ;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