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《表面改性技术》课件
表面改性技术的实 例分析
热处理：通过加热和冷却，改变金属材料的表面性能 涂层：在金属表面涂覆一层保护层，提高耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性 电化学处理：通过电化学反应，改变金属表面的化学成分和结构 激光处理：利用激光束照射金属表面，改变其表面性能和微观结构
实例：聚四氟乙烯（PTFE）表面改性 目的：提高耐磨性、耐腐蚀性和耐热性 方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等 应用：航空航天、汽车、电子等领域
原理：利用高能粒子轰 击材料表面，使其发生 化学反应或物理变化， 形成新的表面层
特点：可以在低温 下进行，对材料表 面无破坏，可形成 多种表面层
应用：广泛应用于 金属、陶瓷、塑料 等材料的表面改性
优点：可以提高材 料的耐磨性、耐腐 蚀性、导电性等性 能
原理：利用电化学反应，在表 面形成一层具有特定性质的薄 膜
添加标题
表面改性：通过改变复合材料表面的物理、化学性质， 提高其性能
添加标题
表面改性方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化 学气相沉积（PECVD）、激光表面处理等
表面改性技术的发 展趋势和未来展望
环保型表面改性技 术：减少有害物质 排放，提高环保性 能
纳米表面改性技术： 提高表面性能，增 强表面功能
改性目的：提高材料的耐磨性、 耐腐蚀性、抗老化性等性能
改性方法：化学改性、物理改 性、复合改性等
改性效果：提高材料的表面性 能，延长使用寿命
应用领域：汽车、电子、建筑、 医疗等行业
添加标题
复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料组成的材 料
添加标题
实例：碳纤维增强复合材料（CFRP）
添加标题
表面改性效果：提高复合材料的耐磨性、耐腐蚀性、导 电性等性能
表面改性技术(PPT)
第二十九页，共一百二十页。
选择功率密度要根据零件尺寸及其淬火条件而定。 电流频率(pínlǜ)越低、零件直径越小及所要求的硬化 层深度越小，那么所选择的功率密度值应越大。
高频淬火常用于零件直径较小、硬化层深度较浅的场 合；
中频淬火常用在大直径工件和硬化层深度较深的 场合。
第三十页，共一百二十页。
二、火焰加热外表淬火 火焰加热外表淬火是应用氧一乙炔或其他可燃气体
实际上，感应加热外表淬火硬化层深度取决 于加热层深度、淬火加热温度、冷却速度和材料 本身淬透性等因素。
第二十七页，共一百二十页。
4．感应加热外表淬火后的组织和性能 感应加热外表淬火获得的外表组织呈细小隐
晶马氏体，碳化物呈弥散分布，外表硬度比普通 淬火的高2HRC—3HRC，耐磨性也提高，这是因快 速加热时在细小的奥氏体内有大量亚结构残留在 马氏体中所致。喷水冷却时，这种差异会更大。 表层因相变体积膨胀而产生压应力(yìnglì)，降低 缺口敏感性，大大提高疲劳强度。
第二十四页，共一百二十页。
1．感应加热的物理过程
将工件放在感应线圈中， 在高频交流磁场的作用下， 产生很大的感应电流(gǎnyìng diàn liú)，并由于集肤效应而 集中分布于工件外表，使 受热区迅速加热到钢的相 变临界温度Ac3或Accm之 上，然后在冷却介质中快 速冷却，使工件表层获得 马氏体。
第三十四页，共一百二十页。
(二)金属外表(wàibiǎo)化学热处理的目的
感应加热表面淬火 感应淬火机床
第二十二页，共一百二十页。
5、外表淬火常用加热方法 ⑴ 感应加热: 利用交变电流在工件外表感应巨大 涡流(wōliú)，使工件外表迅速加热的方法。
第二十三页，共一百二十页。
一、感应加热外表淬火 (一)感应加热外表处理的根本原理(yuánlǐ)
选择功率密度要根据零件尺寸及其淬火条件而定。 电流频率(pínlǜ)越低、零件直径越小及所要求的硬化 层深度越小，那么所选择的功率密度值应越大。
高频淬火常用于零件直径较小、硬化层深度较浅的场 合；
中频淬火常用在大直径工件和硬化层深度较深的 场合。
第三十页，共一百二十页。
二、火焰加热外表淬火 火焰加热外表淬火是应用氧一乙炔或其他可燃气体
实际上，感应加热外表淬火硬化层深度取决 于加热层深度、淬火加热温度、冷却速度和材料 本身淬透性等因素。
第二十七页，共一百二十页。
4．感应加热外表淬火后的组织和性能 感应加热外表淬火获得的外表组织呈细小隐
晶马氏体，碳化物呈弥散分布，外表硬度比普通 淬火的高2HRC—3HRC，耐磨性也提高，这是因快 速加热时在细小的奥氏体内有大量亚结构残留在 马氏体中所致。喷水冷却时，这种差异会更大。 表层因相变体积膨胀而产生压应力(yìnglì)，降低 缺口敏感性，大大提高疲劳强度。
第二十四页，共一百二十页。
1．感应加热的物理过程
将工件放在感应线圈中， 在高频交流磁场的作用下， 产生很大的感应电流(gǎnyìng diàn liú)，并由于集肤效应而 集中分布于工件外表，使 受热区迅速加热到钢的相 变临界温度Ac3或Accm之 上，然后在冷却介质中快 速冷却，使工件表层获得 马氏体。
第三十四页，共一百二十页。
(二)金属外表(wàibiǎo)化学热处理的目的
感应加热表面淬火 感应淬火机床
第二十二页，共一百二十页。
5、外表淬火常用加热方法 ⑴ 感应加热: 利用交变电流在工件外表感应巨大 涡流(wōliú)，使工件外表迅速加热的方法。
第二十三页，共一百二十页。
一、感应加热外表淬火 (一)感应加热外表处理的根本原理(yuánlǐ)
高能束表面改性技术
激光脉宽10-4s左右，聚焦功率密度在102W/mm2时， 作用于金属表面，主要产生温升相变现象，用作激 光相变硬化； 激光作用时间在10-3 ～ 1s之间，聚焦功率密度在 102～104W/mm2的范围时，金属材料除了产生温升、 熔化现象之外，主要是气化，同时还存在激波和骇 波，用于熔化、焊接、合金化和熔敷。 激光作用时间在<10-6s，聚焦功率密度增加到 109W/mm2时，除了产生上述现象外，金属内热压 缩激波和金属表面上产生的骇波冲击效应成为主要 现象，主要用于冲击硬化。
按稳定系结晶（缓冷，C主要存在于石墨中），铸铁 件表层组织全由珠光体+G构成，硬度只有HRC20~28；
按介稳系结晶（快速凝固， C主要存在于高硬度的 Fe3C中），室温下由莱氏体+M+γ’ 组成，激光熔凝得 到白口表层，且莱氏体生长方向指向表面，硬度至少达 到HRC 50~52，从而显著强化。
后者耐磨性亦显著提高。
不改变成分的快速熔凝强化机制
激光固态相变硬 化的条状马氏体 45钢激光熔凝层(上) 和热影响 区(下)的马氏体(原奥氏体)分布
1. 不改变成分的快速熔凝强化机制
另一类快速熔凝处理后，获得了与固态相变硬化 完全不同的表层组织，从而根本改变了性能。
典型例子是铸铁。 Fe-Fe3C、Fe-石墨（G）双重相图。
快速熔凝和固态淬硬，室温下都得到马氏体+残余奥氏 体。但熔凝处理在结晶过程中，奥氏体从液固界面向表 面快速生长，形成定向排列的柱状晶结构，与固态相变 时奥氏体呈等轴晶结构不同。这种结构显著提高耐磨性 ，并相应提高硬度。 例45钢激光表面固态淬硬，可达HRC 56~58 激光快速熔凝强化，可达HRC 58~60
YAG晶体各向同性。硬度大，化学性质稳定， 易于制成高稳定度要求的器件。它已成为当前 应用最为广泛的主要固体工作物质。
按稳定系结晶（缓冷，C主要存在于石墨中），铸铁 件表层组织全由珠光体+G构成，硬度只有HRC20~28；
按介稳系结晶（快速凝固， C主要存在于高硬度的 Fe3C中），室温下由莱氏体+M+γ’ 组成，激光熔凝得 到白口表层，且莱氏体生长方向指向表面，硬度至少达 到HRC 50~52，从而显著强化。
后者耐磨性亦显著提高。
不改变成分的快速熔凝强化机制
激光固态相变硬 化的条状马氏体 45钢激光熔凝层(上) 和热影响 区(下)的马氏体(原奥氏体)分布
1. 不改变成分的快速熔凝强化机制
另一类快速熔凝处理后，获得了与固态相变硬化 完全不同的表层组织，从而根本改变了性能。
典型例子是铸铁。 Fe-Fe3C、Fe-石墨（G）双重相图。
快速熔凝和固态淬硬，室温下都得到马氏体+残余奥氏 体。但熔凝处理在结晶过程中，奥氏体从液固界面向表 面快速生长，形成定向排列的柱状晶结构，与固态相变 时奥氏体呈等轴晶结构不同。这种结构显著提高耐磨性 ，并相应提高硬度。 例45钢激光表面固态淬硬，可达HRC 56~58 激光快速熔凝强化，可达HRC 58~60
YAG晶体各向同性。硬度大，化学性质稳定， 易于制成高稳定度要求的器件。它已成为当前 应用最为广泛的主要固体工作物质。
高能束表面改性技术2
9.2 离子束表面改性
• 离子注入基本原理 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，并注入固体材 料表面，形成特殊物 理、化学或力学性能 表面改性层的过程。
图9-2 离子注入装置简图
9.2 离子束表面改性
• 离子与工件表面原子电子发生以下过程： 电子碰撞； 核碰撞； 离子与工件内原子作电荷交换。
鞘层 我国核工业西南物理研究院研制 的全方位离子注入机整机图
图9-5 哈尔滨工业大学研制的等 离子体浸没离子注入装置
表9-5 提高表面性能的基体材料及注入离子的种类 基体材料 铝合金 铍合金 影响性能 腐蚀 硬度 腐蚀 硬度 硬度 陶瓷 磨损 韧性 渗钴碳化钨 硬度 磨损 腐蚀 磨损 钛合金 硬度 摩擦 疲劳 注入的离子 Mo+ N+ B+ B+ Y+，N+，Zr+， Cr+ O+，N+ O+，N+ N+，Co+ N+，Co+ N+，C+ N+，C+，B+ N+，C+，B+ Sn+，Ag+ N+，C+ 超合金 低合金钢 高合金钢 基体材料 铜合金 影响性能 腐蚀 腐蚀 磨损 硬度 摩擦 疲劳 腐蚀 磨损 硬度 摩擦 疲劳 磨损 腐蚀 注入的离子 Cr+，Al+ Cr+，Ta+，Y+ Ti+＋C+ Ti+＋C+ Sn+，Ag+， Au+ N+ Cr+，Ta+ N+ N+ Sn+ N+，Ti+ Y+，C+，N+ Pt+，Au+，Ta+
高能束表面改性技术
化。
03
材料适应性有限
不同材料对高能束表面改性的响应不同，部分材料可能难以实现理想的
改性效果。解决方案包括研究不同材料的改性机理，开发针对性的高能
束表面改性技术。
发展前景展望
拓展应用领域
随着高能束表面改性技 术的不断发展和完善， 其在航空航天、汽车制 造、模具修复等领域的 应用将不断拓展。
绿色环保方向
原理。
操作前需对设备进行全面检 查，确保各系统正常运行。
02
01
03
严格遵守设备操作规程，避 免误操作导致设备损坏或人
身伤害。
注意观察改性过程中材料的 变化，及时调整工艺参数以
获得最佳效果。
04
05
操作结束后需对设备进行清 理和维护，确保设备的长期
稳定运行。
04 高能束表面改性技术应用 领域
航空航天领域应用
典型案例分析
案例一
激光表面合金化提高材料耐磨性。通过激光束将合金元素与基体材料表面快速熔合，形成 具有优异耐磨性能的合金层。
案例二
电子束表面非晶化改善材料耐腐蚀性。利用电子束的高能量密度，将材料表面瞬间加热至 熔点以上，然后快速冷却，形成非晶态结构，提高材料的耐腐蚀性。
案例三
离子束辅助沉积制备功能薄膜。在离子束的辅助下，将所需的功能材料沉积在基体材料表 面，形成具有特定功能的薄膜，如光学薄膜、电磁屏蔽薄膜等。
面临挑战及解决方案
01
设备成本高
高能束表面改性设备通常价格昂贵，限制了其在一些领域的应用。解决
方案包括研发更经济、高效的高能束源，以及优化设备结构降低制造成
本。
02
工艺稳定性差
高能束表面改性过程中，工艺参数的微小变化可能导致改性效果的显著
高能束表面改性技术
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。
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
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。
四、激光合金化与涂覆
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。
2、激光相变硬化的特点：
(1) 极快的加热速度（104～106℃/s）和冷却速 度（106～108℃/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。
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。
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。
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。
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
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。
四、激光合金化与涂覆
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。
2、激光相变硬化的特点：
(1) 极快的加热速度（104～106℃/s）和冷却速 度（106～108℃/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。
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。
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。
第八章表面改性技术(表面形变强化热处理-化学热处理高能束表面改性技术)精品PPT课件
续传 应淬动 器火轴
感连
感应加热表面淬火齿轮的截面图
2 中频感应加热表面淬火
• 频率：1500～10000 Hz • 淬透层深度： 2～10 mm • 用途：大中型零件,如大中模数齿轮、直径较大的轴
中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴
各种感应器
3 工频感应加热表面淬火
• 频率：50 Hz • 淬透层深度： 10～15 mm以上 • 用途：大型零件,如直径大于300mm的轧辊及轴类零件
第八章 表面改性技术
1 金属表面形变强化 2 表面热处理 3 金属表面化学热处理 4 离子束表面扩渗处理 5 高能束表面处理 6 离子注入表面改性
1
ห้องสมุดไป่ตู้
表面改性技术——定义
定义：表面改性是指采用某种工艺手段 使材料表面获得 与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
优点1：材料经过表面改性处理后，既能发挥基体材料的 力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能。
喷丸：工件表面不被破坏, 表面积有所增加。加工时 产生的多余能量就会引会 工件基体的表面强化. 喷砂：工件表面污物被清 除掉,工件表面被微量破坏， 表面积大幅增加,从而增加 了工件与涂/镀层的结合强 度
7
8.2 表面热处理
• 定义：仅对零部件表面加热、冷却，从而改变表层组织和性能 而不改变成分的一种工艺，是最基本、应用最广泛的材料表面 改性技术之一。
• 原理：通过表面层的相变达到强化工件表面的目的。 • 分类：1.感应加热表面淬火
2.火焰加热表面淬火 3.接触电阻加热表面淬火 4.浴炉加热表面淬火 5.电解液加热表面淬火 6.高能束表面淬火 7.其它
8
感应加热的原理
感应加热 表面淬火 示意图
1 高频感应加热表面淬火
感连
感应加热表面淬火齿轮的截面图
2 中频感应加热表面淬火
• 频率：1500～10000 Hz • 淬透层深度： 2～10 mm • 用途：大中型零件,如大中模数齿轮、直径较大的轴
中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴
各种感应器
3 工频感应加热表面淬火
• 频率：50 Hz • 淬透层深度： 10～15 mm以上 • 用途：大型零件,如直径大于300mm的轧辊及轴类零件
第八章 表面改性技术
1 金属表面形变强化 2 表面热处理 3 金属表面化学热处理 4 离子束表面扩渗处理 5 高能束表面处理 6 离子注入表面改性
1
ห้องสมุดไป่ตู้
表面改性技术——定义
定义：表面改性是指采用某种工艺手段 使材料表面获得 与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
优点1：材料经过表面改性处理后，既能发挥基体材料的 力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能。
喷丸：工件表面不被破坏, 表面积有所增加。加工时 产生的多余能量就会引会 工件基体的表面强化. 喷砂：工件表面污物被清 除掉,工件表面被微量破坏， 表面积大幅增加,从而增加 了工件与涂/镀层的结合强 度
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8.2 表面热处理
• 定义：仅对零部件表面加热、冷却，从而改变表层组织和性能 而不改变成分的一种工艺，是最基本、应用最广泛的材料表面 改性技术之一。
• 原理：通过表面层的相变达到强化工件表面的目的。 • 分类：1.感应加热表面淬火
2.火焰加热表面淬火 3.接触电阻加热表面淬火 4.浴炉加热表面淬火 5.电解液加热表面淬火 6.高能束表面淬火 7.其它
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感应加热的原理
感应加热 表面淬火 示意图
1 高频感应加热表面淬火
高能束表面改性
四、离子注入材料表面的强化机理
(1)固溶强化效应 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与替位固溶强化。 (2)晶粒细化效应 离子注入层的晶粒尺寸较离子注入之前大幅度减少。因此注入层的硬度与强
度也将大幅度提高。 (3)晶格损伤效应 高能量离子注入金属表面后，使晶格大量损伤，产生大量空位和高密度位错。
3. 扫描速度
七、应用
优点：
激光淬火具有加热速度快、 硬度高、变形小、淬火部位可控、 不需淬火介质、生产效率高、无 氧化、无污染等优点
1. 发动机汽缸 1978年，美国通用汽车公司建
成了柴油机汽缸套激光淬火生产 线。寿命↑3倍。
（10万公里不漏油）
国内也已建立了数十条激光 淬火生产线。
螺旋扫描，可避免产生回火 软化区。
三、工艺过程
⑴ 离化→气体，在高温灯丝加速电子的作用下离化。 简单
→金属，先蒸发成原子，然后离化。
复杂
⑵ 分离→磁分析器从离子源产生的正离子中筛选出所需的离子
⑶ 加速→加速器将筛选出的正离子加速到所需的能量
⑷ 聚焦→利用四极透镜系统将离子束进行聚焦
⑸ 注入→聚焦后的离子束高速注入靶面（工件表面）
离子注入过程的原理示意图
⑸ 石油钻头熔覆WC层。
第二节 离子束表面改性
一、离子束能量和表面改性技术的关系
能量在数十eV~数百eV范围内用于离子束沉积；１~５keV范围 为离子刻蚀区，用于表面微细加工；10~30MeV为离子注入区；
二、离子注入定义
离子注入技术是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有 几万到几十万电子伏特的高能离子束后注入到固体材料表面， 形成特殊物理、化学或机械性能表面改性层
高能束表面改性技术.pptx
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20
激光熔覆工艺示意图
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21
激光熔覆的应用
激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范 围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。 航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生 产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。 1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB-21侦察轰 炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶 片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元 合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品 质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大 量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。
扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加 热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使 表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光 斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量， 不能达到所需的相变温度。
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9
此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被 材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料 表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率 越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率 也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面 对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层， 对工件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸 收率大幅提高。
美国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀， 使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的 TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，其耐磨性与CrWMn 钢相比，是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原 用的CrWMn钢制的托板寿命提高了3～4倍。
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激光熔覆工艺示意图
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激光熔覆的应用
激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范 围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。 航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生 产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。 1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB-21侦察轰 炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶 片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元 合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品 质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大 量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。
扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加 热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使 表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光 斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量， 不能达到所需的相变温度。
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此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被 材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料 表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率 越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率 也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面 对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层， 对工件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸 收率大幅提高。
美国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀， 使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的 TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，其耐磨性与CrWMn 钢相比，是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原 用的CrWMn钢制的托板寿命提高了3～4倍。
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第9章高能束表面改性技术应用用
22
②激光表面淬火特点
• 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。
• 激光淬火的硬度高，耐磨性好。 • 可实现自冷淬火。 • 极 快 的 加 热 速 度 104 ～ 106℃/s 和 冷 却 速 度
106～108℃/s。生产效率高。 • 对工件的许多特殊部位可实现激光淬火。 • 工艺过程易实现电脑控制的生产自动化。
激光作用下合金的相变特点
• 相变的热力学条件
–与常规淬火相比较，由于激光超快速的加热速度， 使其相变过程的温度间隔显著增大，即相变是在 大的过热度下完成的。
• 相变完成后奥氏体成分很不均匀
–由于激光加热相变完成时间很短，同时加热 区 的温度梯度很大，因而碳化物溶解以及奥氏体中 碳和合金元素扩散再分布的情况，在激光加热区 不同部位之间有很大差异，即奥氏体的成分很不 均匀。
• 通过控制工艺参数得到精确的合金化层深度。 • 这一工艺可使排气阀的处理价格下降8 0 % • 此外，对排气阀灰铁阀座进行表面合金化也
是一个成功的例子
37
（3）激光表面熔覆
• ①原理
–将粉末状的金属、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表 面, 用大功率密度激光束照射使之全部熔化，同 时金属基体表面有微量熔融。激光束移开后，表 面迅速凝固，形成与金属基体粘得很牢的熔覆层
– 对容易形成非晶的金属材料
– 脉冲激光能量密度1~10J/cm2，脉冲宽度10-6~1010s（激光作用时间）
– 连续激光功率密度大于106W/cm2，扫描速度 44 1~10m/s
③应用
材料
处理工艺参数
纺纱机钢（20钢）
高重复频率YAG激光器，能量密度 5J/cm2，脉宽10-6s
②激光表面淬火特点
• 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。
• 激光淬火的硬度高，耐磨性好。 • 可实现自冷淬火。 • 极 快 的 加 热 速 度 104 ～ 106℃/s 和 冷 却 速 度
106～108℃/s。生产效率高。 • 对工件的许多特殊部位可实现激光淬火。 • 工艺过程易实现电脑控制的生产自动化。
激光作用下合金的相变特点
• 相变的热力学条件
–与常规淬火相比较，由于激光超快速的加热速度， 使其相变过程的温度间隔显著增大，即相变是在 大的过热度下完成的。
• 相变完成后奥氏体成分很不均匀
–由于激光加热相变完成时间很短，同时加热 区 的温度梯度很大，因而碳化物溶解以及奥氏体中 碳和合金元素扩散再分布的情况，在激光加热区 不同部位之间有很大差异，即奥氏体的成分很不 均匀。
• 通过控制工艺参数得到精确的合金化层深度。 • 这一工艺可使排气阀的处理价格下降8 0 % • 此外，对排气阀灰铁阀座进行表面合金化也
是一个成功的例子
37
（3）激光表面熔覆
• ①原理
–将粉末状的金属、合金或陶瓷粉末涂覆在工件表 面, 用大功率密度激光束照射使之全部熔化，同 时金属基体表面有微量熔融。激光束移开后，表 面迅速凝固，形成与金属基体粘得很牢的熔覆层
– 对容易形成非晶的金属材料
– 脉冲激光能量密度1~10J/cm2，脉冲宽度10-6~1010s（激光作用时间）
– 连续激光功率密度大于106W/cm2，扫描速度 44 1~10m/s
③应用
材料
处理工艺参数
纺纱机钢（20钢）
高重复频率YAG激光器，能量密度 5J/cm2，脉宽10-6s
第十一章 高能束表面改性技术之激光束表面改性技术)
缺点：对反射率高的材料要进行防反射处理；不适宜 一次进行大面积处理；激光本身是转换效率低的能源； 相关设备价格比较昂贵；技术尚不很成熟。 2、激光束表面改性的种类 根据其改变基材成分与否，可分成两大类：不改变基 材表面成分（包括激光淬火、激光退火、激光极化、 激光冲击硬化、激光清洗等）与改变基材表面成分 （包括激光熔覆、激光合金化、激光诱导液相沉积、 激光气相沉积、激光增强电镀等）。 根据激光与材料表面作用时的功率密度、作用时间及 方式不同，可分为三大类：激光淬火、激光熔融（包 括激光熔化-凝固处理、激光表面合金化和激光表面 熔覆等）与激光表面冲击。
受激辐射产生的光子与入射光子的性质状态完全相同， 即频率、位相和传播方向均相同。由于这一特性，受 激辐射光与入射光相干迭加，产生光的放大作用。
③粒子数反转 受激辐射的强弱取决于处于高能级上的原子数，只有 在受激辐射占优势时才能发射出激光。 正常状态下物质中处于低能级上的原子数总大于高能 级上的原子数。只有当高能级的原子数多于低能级的 原子数时才能满足受激辐射占优势的条件，这种状态 称为粒子数反转。 要达到粒子数反转状态，可以利用激励源，把处于低 能级上的原子激发到高能级上去。 工作物质不同，激励方法不同，最常用的是光学和电 学方法。
h：普朗克常数 （6.63×10-34J· s）
如果原子的辐射跃迁都是自发独立进行的，辐射出来 的光子在发射方向、初始位相都是任意的，这种辐射 称为自发辐射。
如果处于高能级E2的原子，当有光子趋近它时，而且 光的频率是v21时，此原子则可在外来光子的激发下， 从高能级E2跃迁到低能级E1上去，并发射出一个同样 的光子。这样原子的一个光子变成了两个光子，这个 过程称为受激辐射。
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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5～10HRC。
.,
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。
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12
离子束和电子束的不同
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。
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。
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7
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
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。
.,
11
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。
面处理。对激光束、电子束而言、高能束表面提高了金属表面的疲劳强度。
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8
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。
5
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。
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6
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。
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。
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§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。
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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。
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14
§12.2 激光表面改性技术
冷却速度 （℃/s）
104～105
激光合金化
104～106
104～105
激光熔覆
104～106
104～106
激光非晶化
106～1010
106～1010
激光冲击硬 化
109～1012
104～106
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作用区深度 （mm） 0.2～3
0.2～2
0.2～1
0.01～0.1
0.02～0.2
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一、激光相变硬化（激光淬火）
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3
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。
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4
当高能束加热金属时，加热速 度高达5×103℃/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。
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10
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
第12章 高能束表面改性技术
.,
1
第12章 高能束表面改性技术
§12.1 §12.2 §12.3 §12.4
概论 激光表面改性技术 电子束表面改性 离子束表面改性
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2
§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103W／ cm2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。
激 光 (Laser) 的 英 文 全 称 为 ： light
amplification by stimulated emission of radiation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。
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15
§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12－3所示。
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各种激光表面改性工艺的特点
工艺方法 激光淬火
功率密度（W／ cm2）
104～105
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5～10HRC。
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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。
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12
离子束和电子束的不同
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。
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。
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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
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。
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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。
面处理。对激光束、电子束而言、高能束表面提高了金属表面的疲劳强度。
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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。
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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。
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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。
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。
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§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。
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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。
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§12.2 激光表面改性技术
冷却速度 （℃/s）
104～105
激光合金化
104～106
104～105
激光熔覆
104～106
104～106
激光非晶化
106～1010
106～1010
激光冲击硬 化
109～1012
104～106
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作用区深度 （mm） 0.2～3
0.2～2
0.2～1
0.01～0.1
0.02～0.2
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一、激光相变硬化（激光淬火）
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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。
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当高能束加热金属时，加热速 度高达5×103℃/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。
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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
第12章 高能束表面改性技术
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第12章 高能束表面改性技术
§12.1 §12.2 §12.3 §12.4
概论 激光表面改性技术 电子束表面改性 离子束表面改性
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§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103W／ cm2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。
激 光 (Laser) 的 英 文 全 称 为 ： light
amplification by stimulated emission of radiation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。
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§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12－3所示。
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各种激光表面改性工艺的特点
工艺方法 激光淬火
功率密度（W／ cm2）
104～105