技能培训 材料表面工程学 表面改性方法3

6.5激光表面处理第六章表面改性技术采用激光束、电子束、离子束对材料表面进行改性或合金化的技术，是近十几年迅速发展起来的材料表面新技术，是材料科学的最新领域之一，属高能密度表面处理技术。这三种技术的特点是可以对材料表面快速加热和冷却。激光表面处理工艺:激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化等。6.5激光表面处理第六章表面改性技术一、激光的特性激光作为一种光，它除了具有普通光的一般特性，如光的反射性、折射性、吸收性外，还具有自己的特点：即高度的方向性、单色性和亮度，是一种聚焦性好、功率密度高、易于控制、能在大气中远距离传输的新颖光源。6.5激光表面处理第六章表面改性技术一、激光的特性1.高度的方向性一、激光的特性2.高亮度激光有极高的亮度，可以达到比太阳光的亮度还高100万亿倍．普通光源的亮度则比太阳光还低．由于激光发出的光束很强，而方向性又很强，所以聚焦后可以获得极高的能量密度，功率密度高达1014W/cm2.焦斑中心温度可高达几千到几万度。6.5激光表面处理第六章表面改性技术6.5激光表面处理第六章表面改性技术一、激光的特性3．高单色性科学上用光辐射能量集中的频谱区间（称谱线宽度）衡量光的单色性，谱线宽度越窄，它的单色性越好．太阳光辐射能量分布在从紫外至远红外的广阔光谱区域，所以它谈不上单色性．常用的单色光源如氖灯、氦灯、氪灯、氢灯等，它们的光辐射谱线宽度比较窄（小于4.5×10-3nm），其中氪86光源发射的红光（波长605.7nm）的谱线宽度最窄，只有4.7×10-4nm，有单色性之冠之称．激光具有相同的位相和波长，所以激光的单色性比它更好，特制发红光的He-Ne激光器，波长632.8nm的谱线宽度只有2×10-9nm！6.5激光表面处理第六章表面改性技术二、激光表面处理设备包括：激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统。6.5激光表面处理第六章表面改性技术激光是由具有亚稳态能级结构的物质(激光介质)，在激光器的谐振腔内受外界能量(光或电)的激发，产生受激辐射放大所输出的方向性、相干性很好、亮度很高的光。（一）激光的产生§1.激光的基本原理按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，存在三种类型的跃迁。即：受激吸收、自发辐射和受激辐射。E1E3E2如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且，其中：E2为原子的某一较高的能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。12EEhv原子吸收E1E3E2图1-1原子吸收示意图hvE1E3E2与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。hv图1-2自发辐射示意图E1E3E2自发辐射自发辐射的特点是：这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。如图1-3所示。这一过程被称为受激辐射。12EEhvLightorlaser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv图1-3受激辐射示意图这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大。图1-4就是受激辐射光放大的示意图。受激辐射的特点是：hvhvhvhvhvhvhv输入输出图1-4光放大示意图激光器知识一、激光振荡器与激光放大器1、激光振荡器(激光器)2、激光放大器二、产生与放大激光的条件形成粒子数反转(上能级粒子数下能级粒子数)对输入的弱激光进行放大产生并输出激光2、泵浦源(光泵、放电管)对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转3、谐振腔(半反镜与全反镜)(1)维持激光振荡(2)改善激光质量如单色性、方向性(1)激活粒子(分子、原子、离子)发光(2)基质寄存激活粒子的材料1、激光工作物质三、激光器构造四、激光器种类1、气体激光器(1)He-Ne发光粒子为Ne原子,=6328Å(0.6328m,632.8nm)(2)CO2发光粒子为CO2分子,=10.6m(106000Å,10600nm)电源全反镜半反镜放电管2、固体激光器3rC(1)红宝石发光粒子为(铬离子),光波长0.6943m电源全反镜半反镜激光晶体光泵3dN(2)YAG发光粒子为(钕离子),光波长1.06m(1Å=10-10m,1m=10-6m,1nm=10-9m)3、液体激光器4、半导体激光器五、能级系统1、三能级(红宝石)E1基态(激光下能级)E2亚稳态(激光上能级)E3非稳态W13S32A21W21W12W13:泵浦几率S32:非辐射跃迁几率GaAsP-GaAsn-GaAs激光(1)侧面发光(2)垂直腔面发光2、四能级(He-Ne、YAG、CO2)W14:泵浦几率S43、S21:非辐射跃迁几率E2非稳态(激光下能级)E3亚稳态(激光上能级)E4非稳态W14S43A32W32W23E1基态S21激光器的工作方式有连续和脉冲两种。气体激光器工作物质：原子气体、分子气体和离子气体氦氖激光器氩离子激光器液体激光器工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。染料激光器半导体激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术（二）激光器激光振荡器（激光器）：6.5激光表面处理第六章表面改性技术（二）激光器激光振荡器（激光器）：6.5激光表面处理第六章表面改性技术（二）激光器在激光器中，必须使光在增益介质中来回一次所产生的增益，足以补偿光在介质来回传播中的各种损耗，这样才形成激光。激光器实现振荡所需要的最低条件，又称阈值条件。概括地讲，要形成激光，首先必须利用激励能源，使工作物质内部的一种粒子在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成激光的前提条件；还必须满足阈值条件，这是形成激光的决定性条件。各种激光器都必须满足这两个条件才能形成激光。6.5激光表面处理第六章表面改性技术（1）固体激光器：这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的（如红宝石激光器）；（2）气体激光器：采用的工作物质是气体，根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；（二）激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术激光器的种类：（3）液体激光器：这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子；（4）半导体激光器（5）化学激光器（二）激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术6.5激光表面处理第六章表面改性技术固体激光器：（1）钕-钇铝石榴石激光器(又称YAG激光器)。YAG激光器属于固体激光器、激活介质(工作物质)是钇铝石榴石(Y3Al5O12)晶体中掺入质量分数1.5％左右的钕制成。其激光波长为1.06um，属近红外光，输出方式可以是连续的也可以是脉冲的，但连续输出功率较小，仅1kw左右，且光电转换效率很低。（二）激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术气体激光器（2）CO2激光器激活介质(工作气体)为CO2气体，激光波长为10.6um，属中红外光，一般是连续输出。CO2激光器是目前连续输出功率最大的激光器，10kw以下已经系列商品化；光电转换效率高，一般为10-20％、而YAG激光器仅1-3％。金属表面强化技术大多采用2-5kwCO2激光器。（二）激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术（2）CO2激光器（二）激光器1)实现粒子数反转分布的条件电激励化学激励热激励光激励(A)激励(又称泵浦)光激励电激励(B)合适的能级结构二能级系统用光泵的方法不可能实现粒子数反转分布三能级系统当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E3于E2间实现粒子数反转。13NNE3E12EN21N3NE0NE3E12EN21N3NE0N亚稳态能级在E2和E1能级间也有可能实现粒子数反转。亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E3E12EN21N3NE0N红宝石激光器的工作物质：红宝石——是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。采用光激励方法：受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。四能级系统比三能级系统容易实现粒子数反转分布。氦氖气体激光器是四能级系统氖原子在间实现粒子数反转分布s3p2s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞电子碰撞激发电子碰激发管壁效应自发辐射共振转移6.5激光表面处理第六章表面改性技术三、激光表面处理技术（一）激光束加热金属的过程激光照射到金属表面：一部分被金属表面反射，一部分进入金属表层并被吸收。激光向金属表层的热传递是通过“韧致辐射效应”实现的，即通过固体金属对激光光子的吸收而实现光---热转换。一定强度的激光照射金属表面时，入射到金属晶体中的激光光子，将与金属中的自由电子发生非弹性碰撞，光子被电子吸收。吸收了光子的电子，跃迁到高能级状态，并将其吸收的能量转化为晶格的热振荡，使金属表层的温度迅速升高。6.5激光表面处理第六章表面改性技术（一）激光束加热金属的过程由于光子穿透金属的能力极低（小于0.1um），故光子的吸收及转换为热的过程仅限于表面极薄层。由于导电电子的平均自由时间只有10-3s，所以激光的加热速度很快。金属深处的加热主要靠热传导进行。6.5激光表面处理第六章表面改性技术金属对激光的吸收与以下几个因素有关：（1）激光的波长越短，吸收率越高。（2）金属的温度越高，吸收率越大。金属材料在室温的吸收率均很小，当温度升高到接近熔点时，其吸收率将升高至40％～50％。（3）电导率高的金属对激光的反射率高，吸收率低。（4）金属表面粗糙度愈大，其吸收率愈大。表面涂层会使反射率急剧变化，以致对吸收的光能发生显著影响。6.5激光表面处理第六章表面改性技术（二）激光表面预处理常用的方法有：（1）黑化处理方法，即将黑化溶液，如胶体石墨或含炭黑和硅酸钠的涂料直接刷涂或喷涂到工件表面。黑化法工艺简单，处理后工件对CO2激光的吸收率可达90％以上。（2）磷化法：是把金属放入含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜的方法。磷化法处理后工件对CO2激光的吸收率可达88％。6.5激光表面处理第六章表面改性技术1激光束表面相变硬化激光束表面相变硬化，又称激光淬火，是以激光束快速照射工件，使表面形成奥氏体，此后急冷形成马氏体。激光表面强化应用实例：表6-29。（三）激光处理工艺及应用6.5激光表面处理第六章表面改性技术2激光涂覆激光涂覆就是用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂覆材料，这类涂覆材料可以是金属或合金，也可以是非金属、化合物。激光表面涂覆工艺可