表面工程-08

北京工业大学材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT材料表面工程（第五章）李辉材料学院328室010-67396168CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT第五章：表面工程技术5.1电镀，化学镀5.2热喷涂5.3堆焊5.4高能束表面改性5.5气相沉积CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT第七章气相沉积技术5.4.1高能束表面改性采用激光束、电子束、离子束为代表的高能束流对材料表面进行改性的技术。高能束的共同特征是，供给材料表面的功率密度≥103W/cm2。特点：1.功率密度高、作用时间短，易于获得亚稳态组织；2.非接触式加热，热应力小；3.可控性好，易于传输，处理环境清洁，污染少。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.2激光表面改性5.4.2.1激光Laser：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation1.激光体，2.光泵浦能量，3.反射镜，4.输出功率藕合器，5.激光束（通过辐射线的受激放射达到光的放大，简称激光）主要特点：1.高单色性2.高方向性3.高亮度CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT51960年在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室，西奥多·梅曼(TheodoreMaiman)设计和建造了一台小型的激光发生器。他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，产生了第一束激光，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。梅曼的实验显示，闪光灯发出的足以致盲的强光可以使红宝石棒充能，这些能量随后以纯粹的红色光脉冲的形式释放，这些相干光有恒定的相位差，就像是列队前进的士兵们。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT6随着激光的诞生，军事机构和小说家看到射线枪能够成为现实，就开始着手打造激光武器。1964年，007电影《金手指》中大反派“金手指”奥瑞克威胁詹姆斯-邦德，要用激光将他锯成两半——这在当时，还是纯粹的幻想。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT7埃米特·利斯(EmmettLeith)和朱瑞斯·乌帕特尼克斯(JurisUpatnieks)在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造，发明了第一个不需要特制眼镜就能看到的三维图像。他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上，其中一束激光先被从被摄物体上反射开来，然后再与另一束会合，在感光片上成像。用一束与成像时相同方向的激光照射感光片，就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像。这张玩具火车图是这两位科学家在密歇根大学的威洛·鲁恩实验室第一次记录的全息图。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT8最初时，激光的色彩是相当有限的：氦氖激光器和红宝石发出红光，其他激光器则产生不可见的红外线。人们借助离子激光器第一次实现了如彩虹般的七彩激光，它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。氩气产生蓝色和绿色的光，氪产生其他几种颜色，两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。梦幻的激光秀从此诞生。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT9激光技术第一次走进日常生活，是美国超市使用发出红色氦氖激光的条形码扫描枪实现收款自动化。若尔斯·阿尔费罗夫(ZhoresAlferovand)和赫伯特·克勒默(HerbertKroemer)改进了制作半导体二极管激光器的方法，让激光真正地无处不在。这两位科学家因此获得了2000年的诺贝尔物理奖。(图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比。)如今，这样的芯片随处可见，比如说CD播放器、蓝光播放器、红色激光笔并构成了全球电信网络的骨干。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT10在工业上，激光被用作永远不会变钝的锯和钻头。最初人们使用激光来加工硬度很高的材料，如钻石，或非常柔软的材料，例如婴儿奶瓶的奶嘴。低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金属。早期的工业激光器，必须要有非常庞大的体形，才能产生足够的能量，但新型固态激光器却非常小巧，给人印象深刻：如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量，足以切开几厘米厚的金属片。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT11激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。更大的成功在1968年到来，外科医生弗朗西斯·莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激光器破坏异常的血管，以避免这些血管在视网膜中扩散，这种病症后果非常严重，会导致糖尿病人失明。这种治疗方法已经挽救了数百万人的视力。如今，激光也被用来切割角膜，以矫正视力，或者消除胎记和刺青。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT12很久以来可控核聚变都是人们最理想的清洁能源产生方式。1962年，在加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室，物理学家约翰·纳科尔斯(JohnNuckolls)提出用激光脉冲加热和压缩重氢同位素块来实现可控核聚变。自此之后，劳伦斯利弗莫尔实验室一直追寻着这个理念，他们使用的激光器也越来越大，终于在美国国家点火装置(NationalIgnitionFacility))中达到巅峰。这是一个复杂的系统，可以同时发出192束激光，去年，在十亿分之几秒的时间内，产生了能量达到100万焦耳的激光脉冲，使之成为有史以来能量最强的激光器。国家点火装置是美国科学家研制的、世界最大的激光核聚变装置。据悉，这个被称为“人造太阳”的装置能产生类似恒星内核温度和压力，使美国在无需核试的情况下保持核威慑力。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT激光器波长（μm）光子能量（eV）功率输出方式模式发散角全角电光转化效率（%）CO210.60.12大，可达几十千瓦连续、脉冲基膜或多模1-315-20YAG1.061.16小，最大几千瓦连续、脉冲多模5-2035.4.2.1主要工业用激光器5.4.2激光表面改性CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.2.2激光与物质的作用机理5.4.2激光表面改性（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ＷＳＣ１CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTsubstratplasmaFusion/évaporationablationdesdéfautsIIIIIIO2N2Densitéd’ÉnergieLaser（脉冲）D’aprèsJoséM.Vadillo,J.JavierLaserna,“Laser-inducedplasmaspectrometry:trulyasurfaceanalyticaltool”,SpectrochimicaActaPartB,Vol.59,2004,pp.47-161.5.4.2.2激光与物质的作用机理CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.2.3激光表面改性技术工艺方法功率密度（W/cm2）冷却速度（℃/s）作用区深度（mm）激光淬火104-105104-1050.2-3激光合金化104-106104-1050.2-2激光熔覆104-106104-1060.2-1激光非晶化106-1010106-10100.01-0.1激光冲击硬化109-1012104-1060.02-0.2CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT1.激光淬火45钢表面激光淬火横截面金相组织5.4.2.3激光表面改性技术极快的加热速度和冷却速度精密节能自淬火柔性好，易于自动化生产CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT影响因素：基材成分：淬硬性、淬透性工艺参数：激光参数表面状态：表面吸收率5.4.2.3激光表面改性技术1.激光淬火CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.2.3激光表面改性技术1.激光淬火CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.2.3激光表面改性技术1.激光淬火CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.激光熔凝表面快速加热至熔点温度以上，由基材迅速导热冷却，使表面熔化层快速冷却并凝固结晶。特点：硬度高；硬化层深，耐磨性好；缺点：表面粗糙，后续加工困难5.4.2.3激光表面改性技术CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.激光熔凝5.4.2.3激光表面改性技术CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT3.激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）5.4.2.3激光表面改性技术粉末预置堆焊同步送粉堆焊同轴送粉侧向送粉CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT3.激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）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：用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂层技术二者技术实质一样，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5.4.2.3激光表面改性技术CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT3.激光合金化和激光熔覆（激光堆焊）5.4.2.3激光表面改性技术CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.3.1电子束产生原理5.4.3电子束表面改性技术电子速度取决于加速电压的高低，一般可达到光速的2/3左右电子束加热时，能量的传递主要通过电子与材料的电子碰撞来实现，入射电子束动能大约有75%可以直接转化为热能。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.3.2电子束相变硬化5.4.3电子束表面改性技术与激光相变硬化原理相仿，但是在高真空度工作室（1.33×10-1–1.33×10-4Pa）进行，加速电压可调节范围很宽，适用面广电子束传输距离长，适合于大型工件电子束斑可以很大，可达20×20mm2CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.3电子束表面改性技术CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT5.4.3电子束表面改性技术CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT离子注入:5.4.4离子束表面改性技术离子束实质是一种带正电的离子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。Ionimplantationisamaterialsengineeringpro