高能束表面改性技术.ppt

高能束表面改性技术
定义: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。
特点:(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。
(2)高能束表面改性是靠束流作用在金属表面,对金属进行加热,属非接触式加热,没有机械应力作用。
(3)高能束表面改性具有许多独特的优点:如离子注入,不像热扩散那样,将受到化学结合力、扩散系数和相平衡规律的限制。
(4)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,保证完成马氏体的转变;而且急冷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。
按高能束束流特征分类
激光束
电子束
离子束
按相变类型分类
高能束相变硬化处理
高能束熔敷处理
高能束合金化
高能束非晶化
高能束冲击硬化
高能束气相沉积
高能束与金属材料的交互作用
能量传递与转换
高能束与和物质的三种作用类型:热作用、力作用、光作用
E0=E反射+E吸收+E透过
式中 E0-入射到材料表面的高能束能量
E反射-被材料表面反射的能量
E吸收-被材料表面吸收的能量
E透过-高能束透过材料后的能量
金属材料对高能束而言,是束流不能穿透的材料,因此当高能束粒子照射金属材料时,其入射能量最终分解为两部分:一部分被金属表面反射掉,而另一部分则被金属表面所吸收。当金属表面吸收了外来能量后,将导致晶格点阵结点原子的激活,进而使光能(激光束)或电能(电子束或离子束)转换成热能,并向表层内部进行热传导和热扩散,以完成表面加热过程。
<1>热作用激光光子的能量向固体金属的传输的过程就是固体金属对激光光子的吸收的过程。激光与金属材料交互作用而产生的加热效应取决于材料对激光光子的吸收。
<2>力作用当激光束强度远低于熔化门坎值时,由于金属表面高的温度梯度,在亚表层区会产生严重的不均匀应变。当内应力超过屈服应力时,材料会发生塑性变形。用激光照射金属表面,表面温度的迅速增加会使材料发生膨胀,平行于表面的位移受到周围材料的约束,会产生很大的压应力。如果超过了材料的弹性极限,就会发生塑性变形,使材料挤出自由表面。在冷却时,材料发生收缩。如果拉应力超过屈服应力,冷至初始温度时就会发生拉伸塑变。
(3)光作用激光与金属材料的交互作用也可以通过光作用而实现,不过这种作用是一种间接的作用。由于这种作用主要用来制备特殊的非金属材料和无机材料,如金刚石薄膜、类金刚石薄膜等。
高能束加热引起的物质状态变化
图12-1