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材料表面工程第十二章本讲稿第一页，共五十二页 12-1 概述概述采采用用激激光光束束、离离子子束束、电电子子束束这这三三类类高高能能束束流流对对材材料料表表面面进进行行改改性性或或合合金金化化的的技技术术，是是近近十十几几年年来来迅迅速速发发展展起起来来的的材材料料表表面新技术，是材料科学的最新领域之一。面新技术，是材料科学的最新领域之一。本讲稿第二页，共五十二页用三束流对材料表面进行改性的技术主要包括两个方面：用三束流对材料表面进行改性的技术主要包括两个方面：（1）利用脉冲激光器可获得极高的加热和冷却速度，从）利用脉冲激光器可获得极高的加热和冷却速度，从而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、热平衡相图上不而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、热平衡相图上不存在的亚稳合金，从而赋予材料表面以特殊的性能。存在的亚稳合金，从而赋予材料表面以特殊的性能。（2）利用离子注人技术可把异类原子直接引入表面层中）利用离子注人技术可把异类原子直接引入表面层中进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制。金化热力学条件的限制。本讲稿第三页，共五十二页三束流用于材料表面加热时，由于加热速度极快，整个基三束流用于材料表面加热时，由于加热速度极快，整个基体的温度在加热过程中可以不受影响。体的温度在加热过程中可以不受影响。用三束流直接加热的材料表层一般深度在几微米。用三束流直接加热的材料表层一般深度在几微米。电子束、离子束的脉冲宽度可短至电子束、离子束的脉冲宽度可短至10 9s，激光的脉冲宽度，激光的脉冲宽度可短至可短至10 12s，在被照物体上，由表面向里能够产生，在被照物体上，由表面向里能够产生106108K/cm的温度梯度，使表面薄层迅速熔化。的温度梯度，使表面薄层迅速熔化。冷的基体又会使熔化部分以冷的基体又会使熔化部分以1091011K/s的速度冷却，致使的速度冷却，致使固液界面以每秒几米的速度向表面推进，使凝固迅速完成。固液界面以每秒几米的速度向表面推进，使凝固迅速完成。本讲稿第四页，共五十二页高能束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成高能束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成分或结构实现的，分或结构实现的，成分的改变包括表面合金化和熔覆成分的改变包括表面合金化和熔覆；结结构的改变包括组织和相的改变构的改变包括组织和相的改变。利用高能束的表面合金化的重要特点是可以获得结构上的利用高能束的表面合金化的重要特点是可以获得结构上的亚稳组织亚稳组织。用平衡凝固的方法生产的合金不能满足需要。用平衡凝固的方法生产的合金不能满足需要时，亚稳合金往往具有优异的抗蚀能力及较高的机械强时，亚稳合金往往具有优异的抗蚀能力及较高的机械强度。度。本讲稿第五页，共五十二页激光束、电子束、离子束表面改性技术不仅可用于提高机激光束、电子束、离子束表面改性技术不仅可用于提高机件表面的抗蚀性和耐磨性，还可用于半导体技术和催化剂件表面的抗蚀性和耐磨性，还可用于半导体技术和催化剂技术。技术。在半导体材料中，各种电性能通常是由材料的最外层微米在半导体材料中，各种电性能通常是由材料的最外层微米数量级厚的成分和结构控制的。数量级厚的成分和结构控制的。本讲稿第六页，共五十二页12-2 激光束技术激光束技术12-2-1 激光器的种类激光器的种类 目前工业上采用的激光器主要有目前工业上采用的激光器主要有YAG激光器激光器和和CO2激光器激光器。YAG激光器是固体激光器，其工作物质激光器是固体激光器，其工作物质是掺有钕离子的钇铝石榴石晶体，连续是掺有钕离子的钇铝石榴石晶体，连续输出功率较小，大多为输出功率较小，大多为 500W 左右，最左右，最高可为高可为 l kW，波长为，波长为1.06 m。CO2激光器是气体激光器，以激光器是气体激光器，以CO2为工作为工作气体，其连续输出功率要高得多，气体，其连续输出功率要高得多，15kW的属中等功率，的属中等功率，520kW的属高功率的属高功率激光器，波长为激光器，波长为10.6 m。本讲稿第七页，共五十二页12-2-2 激光束与金属的交互作用激光束与金属的交互作用 金属激发态电子与原子点阵碰撞的能量弛豫时间约为金属激发态电子与原子点阵碰撞的能量弛豫时间约为 10 12 s，激光的脉冲宽度可短至，激光的脉冲宽度可短至10 12s，因此激光束的，因此激光束的能量会很快转变为晶格的动能。能量会很快转变为晶格的动能。金属对激光波长的吸收因金属而异，一般为金属对激光波长的吸收因金属而异，一般为10 m左右。左右。在临界波长以上，金属的反射率非常高，在在临界波长以上，金属的反射率非常高，在90以上；以上；在临界值以下，反射率急剧减小。在临界值以下，反射率急剧减小。本讲稿第八页，共五十二页激光透人金属的深度，仅为表面下激光透人金属的深度，仅为表面下10 5cm的范围。所的范围。所以激光对金属的加热，可以看做是一种表面热源，在表面以激光对金属的加热，可以看做是一种表面热源，在表面层光能变为热能，此后热能按一般的传导规律向金属深处层光能变为热能，此后热能按一般的传导规律向金属深处传导。传导。本讲稿第九页，共五十二页12-2-3 激光加工的种类激光加工的种类 用不同的激光功率密度和作用时间，可以对金属进行不同的加工。用不同的激光功率密度和作用时间，可以对金属进行不同的加工。本讲稿第十页，共五十二页12-2-4 激光相变硬化激光相变硬化 1激光相变硬化的特点激光相变硬化的特点1)加热和冷却速度高：加热速率可达加热和冷却速度高：加热速率可达105109 C/s；对应的加热时间为对应的加热时间为10 91 7s；冷却速率可达冷却速率可达104107/s。2)硬度硬度高高：激光淬火层的硬度比常规淬火层提高：激光淬火层的硬度比常规淬火层提高1520。本讲稿第十一页，共五十二页3)变形小：变形小：由于加热层薄，加热速率快，即使很复杂的零件，变由于加热层薄，加热速率快，即使很复杂的零件，变形也非常小。形也非常小。4)表层显微组织：加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限表层显微组织：加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，得到的奥氏体晶粒小而不均匀。冷却速率快，易得到隐针或制，得到的奥氏体晶粒小而不均匀。冷却速率快，易得到隐针或细针马氏体组织。细针马氏体组织。本讲稿第十二页，共五十二页2激光熔化淬火激光熔化淬火提高激光功率，或者减小光束直径、减小扫描速率，对金属提高激光功率，或者减小光束直径、减小扫描速率，对金属扫描时，表面薄层被熔化，当光束离开时，由于冷的基体的扫描时，表面薄层被熔化，当光束离开时，由于冷的基体的散热作用，会产生固相相变硬化，使表层可产生一层液体金散热作用，会产生固相相变硬化，使表层可产生一层液体金属的激冷组织，这种硬化技术称为激光熔化淬火，可使晶粒属的激冷组织，这种硬化技术称为激光熔化淬火，可使晶粒大大细化。大大细化。本讲稿第十三页，共五十二页3激光非晶化激光非晶化 用激光的手段在金属表面上制得一非晶层的技术，称为激光用激光的手段在金属表面上制得一非晶层的技术，称为激光上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。非晶体合金与对应的晶体相比，强度、韧性和硬度都高，导磁非晶体合金与对应的晶体相比，强度、韧性和硬度都高，导磁性可与镍铁铝超级导磁合金媲美，电阻为晶体的性可与镍铁铝超级导磁合金媲美，电阻为晶体的23倍，耐蚀性倍，耐蚀性超过不锈钢，但耐疲劳性不及晶体。超过不锈钢，但耐疲劳性不及晶体。本讲稿第十四页，共五十二页4激光退火激光退火激光退火一般用于半导体材料。当硅片和砷化镓片进行离子激光退火一般用于半导体材料。当硅片和砷化镓片进行离子注入后，由于出现晶格缺陷，注入层会失去电子活性，为了注入后，由于出现晶格缺陷，注入层会失去电子活性，为了消除缺陷，使晶体结构有序化，就必须使半导体晶体在高温消除缺陷，使晶体结构有序化，就必须使半导体晶体在高温下进行退火。下进行退火。本讲稿第十五页，共五十二页激光退火可防止半导体晶片的扩散杂质的再分布，合金化激光退火可防止半导体晶片的扩散杂质的再分布，合金化效率高，可获得高浓度电荷载流子，使电荷活性提高效率高，可获得高浓度电荷载流子，使电荷活性提高57倍。倍。激光退火在室温下就可进行，又不损害半导体的性能，因激光退火在室温下就可进行，又不损害半导体的性能，因而在微型半导体器件工业中得到了广泛应用。而在微型半导体器件工业中得到了广泛应用。本讲稿第十六页，共五十二页5激光冲击硬化激光冲击硬化以以 107 W/mm2 以上的高功率密度的脉冲激光照射金以上的高功率密度的脉冲激光照射金属表面，使表面金属剧烈气化，形成的冲击波反作用于表属表面，使表面金属剧烈气化，形成的冲击波反作用于表面使表面硬化。面使表面硬化。冲击波的力量可达冲击波的力量可达104 MPa，从而使表面产生强烈的塑，从而使表面产生强烈的塑性变形，增加位错的密度，提高材料的强度及疲劳寿命。性变形，增加位错的密度，提高材料的强度及疲劳寿命。本讲稿第十七页，共五十二页12-2-5 激光表面合金化与激光熔覆激光表面合金化与激光熔覆1 激光表面合金化激光表面合金化 把把合合金金元元素素、陶陶瓷瓷等等粉粉末末以以一一定定方方式式添添加加到到基基体体金金属属表表面面上上，通通过过激激光光加加热热使使其其与与基基体体表表面面共共熔熔而而混混合合，形形成成表表面面特特种种合合金金层层，称称为为激光表面合金化。激光表面合金化。本讲稿第十八页，共五十二页主要目的主要目的：利用快速加热和快速冷却制造特殊的亚稳合金，赋予利用快速加热和快速冷却制造特殊的亚稳合金，赋予 机件表面以特殊的性能；机件表面以特殊的性能；制成理想的表面合金。制成理想的表面合金。本讲稿第十九页，共五十二页向表面加入合金粉末的方法向表面加入合金粉末的方法：共沉积法和预沉积法。：共沉积法和预沉积法。共沉积法共沉积法是激光照射的同时送人粉末，需要精度较高的送粉是激光照射的同时送人粉末，需要精度较高的送粉设备。设备。预沉积法预沉积法是预先涂上一层合金涂膜，然后用激光重熔。是预先涂上一层合金涂膜，然后用激光重熔。预涂的方法主要有：粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、预涂的方法主要有：粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、预置薄板或金属箔等。预置薄板或金属箔等。本讲稿第二十页，共五十二页图图13-11 是预沉积法激光表面合金化的示意图，基体材料为是预沉积法激光表面合金化的示意图，基体材料为B，表面，表面膜为膜为A。其中。其中d 表示光斑尺寸；表示光斑尺寸；R0表示材料对激光的反射率。表示材料对激光的反射率。通过熔化，表面膜通过熔化，表面膜A和部分基体和部分基体B把薄膜元素可控制地结合入基体把薄膜元素可控制地结合入基体B中中。液态混合。液态混合之后发生快速的再凝固，从而使合金化元素被结合到基体表面区附近。之后发生快速的再凝固，从而使合金化元素被结合到基体表面区附近。本讲稿第二十一页，共五十二页利用激光对金属和半导体的表面进行改性，通过调整各种参利用激光对金属和半导体的表面进行改性，通过调整各种参数可获得各种平衡态下得不到的奇特合金，从而使机件获得数可获得各种平衡态下得不到的奇特合金，从而使机件获得各种奇特的表面性能。各种奇特的表面性能。本讲稿第二十二页，共五十二页钢中加入钢中加入 Cr，Ni，Mo 等贵重元素通常不是为了提高整等贵重元素通常不是为了提高整体强度，而是为了防止环境对表面的损伤，此时采用表面体强度，而是为了防止环境对表面的损伤，此时采用表面合金化可使成本大大降低。合金化可使成本大大降低。例如，用例如，用 70Cr-30Ni 的金属粉末对一般碳钢进行激的金属粉末对一般碳钢进行激光表面合金化，表面可获得光表面合金化，表面可获得29Cr-13Ni 的合金，该合金的合金，该合金在在1 mol/L H2SO4 中的极化曲线与中的极化曲线与18-8不锈钢的极化不锈钢的极化曲线相似，有几乎一样的钝化能力，即具有相同的抗蚀曲线相似，有几乎一样的钝化能力，即具有相同的抗蚀性。性。本讲稿第二十三页，共五十二页激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属触激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属触点，以形成欧姆式或点，以形成欧姆式或Schottky式电触点。式电触点。例如，用例如，用Nd-YAG激光辐照，把激光辐照，把Pt，Pd，Ni膜合金化到膜合金化到Si中，试样表面被熔化并在横向产生非常均匀的合金层。中，试样表面被熔化并在横向产生非常均匀的合金层。本讲稿第二十四页，共五十二页2 表面激光熔覆表面激光熔覆激光表面熔覆是在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶激光表面熔覆是在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，控制能量输入参数，使添加层瓷粉末，在进行激光重熔时，控制能量输入参数，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。激光表面熔覆与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全激光表面熔覆与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，可获得具有，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，可获得具有原来特性和功能的强化层。原来特性和功能的强化层。本讲稿第二十五页，共五十二页激光熔覆用合金粉末的基本要求激光熔覆用合金粉末的基本要求：具有希望的性能；具有希望的性能；热胀系数应尽可能接近基体；热胀系数应尽可能接近基体；熔体对基体要有良好的润湿性；熔体对基体要有良好的润湿性；有良好的脱氧除气、除渣能力；有良好的脱氧除气、除渣能力；熔点不应太高。熔点不应太高。目前采用最多的是镍基、铁基及钴基自熔合金粉末。目前采用最多的是镍基、铁基及钴基自熔合金粉末。陶瓷涂层的激光熔覆也有较多的研究。陶瓷涂层的激光熔覆也有较多的研究。本讲稿第二十六页，共五十二页 铝合金的激光熔覆铝合金的激光熔覆：由于铝基体太软，在其表面熔覆一硬的耐磨层，意义特别重大。由于铝基体太软，在其表面熔覆一硬的耐磨层，意义特别重大。遇到的最困难问题是，熔覆层的熔点都要大大高于铝。能量一高，遇到的最困难问题是，熔覆层的熔点都要大大高于铝。能量一高，界面铝层就会大量熔化，熔铝由于比重较小，会迅速上浮，使覆层界面铝层就会大量熔化，熔铝由于比重较小，会迅速上浮，使覆层稀释，形成大量软区。稀释，形成大量软区。若采用适当的工艺则可以获得稀释度很小而又有良好结合力的若采用适当的工艺则可以获得稀释度很小而又有良好结合力的熔覆层。熔覆层。铝合金的激光熔覆目前已在国外获得应用。铝合金的激光熔覆目前已在国外获得应用。本讲稿第二十七页，共五十二页 12-3 离子束技术离子束技术离子注入是核科学技术在材料工业方面的应用技术，其基本离子注入是核科学技术在材料工业方面的应用技术，其基本工艺是将几万到几十万电子伏的高能离子流注入到固体材料工艺是将几万到几十万电子伏的高能离子流注入到固体材料表面，从而使材料表面的物理、化学或机械性能发生变化，表面，从而使材料表面的物理、化学或机械性能发生变化，达到表面改质的目的。达到表面改质的目的。离子注入技术首先应用于半导体材料。该技术使大规模集成离子注入技术首先应用于半导体材料。该技术使大规模集成电路的研究和生产获得了极大的成功。二十世纪电路的研究和生产获得了极大的成功。二十世纪70年代以年代以后才开始用于金属材料的表面改质。后才开始用于金属材料的表面改质。本讲稿第二十八页，共五十二页12-3-1 注入离子的产生注入离子的产生气态元素的离子化比较容易，例如把气态元素的离子化比较容易，例如把N2引入装置的离子源引入装置的离子源内，在高温灯丝加速电子的情况下，氮离子被电离，形成内，在高温灯丝加速电子的情况下，氮离子被电离，形成等离子体，正离子经由狭缝从离子源中被抽出，随后被加等离子体，正离子经由狭缝从离子源中被抽出，随后被加速。速。金属离子的电离较为复杂，需要比较复杂的设备。产生金金属离子的电离较为复杂，需要比较复杂的设备。产生金属离子束，要先加热离子源中的挥发性金属化合物。属离子束，要先加热离子源中的挥发性金属化合物。本讲稿第二十九页，共五十二页离子注入机的结构示意图：离子注入机的结构示意图：正离子从离子源中引出后，正离子从离子源中引出后，具有一定的初速度。具有一定的初速度。磁分析器从引出的正离子中磁分析器从引出的正离子中选出所需要注入的纯度极高选出所需要注入的纯度极高的离子。的离子。加速管将选出的正离子加速加速管将选出的正离子加速到所需能量，以控制注入深到所需能量，以控制注入深度。度。聚集扫描系统将离子束聚焦聚集扫描系统将离子束聚焦扫描，有控制地注入工件的扫描，有控制地注入工件的表面。表面。本讲稿第三十页，共五十二页12-3-2 离子注入改性的一般机理离子注入改性的一般机理离子注入金属后能显著地提高其表面硬度、耐磨性、抗蚀离子注入金属后能显著地提高其表面硬度、耐磨性、抗蚀性等。性等。基本改性机理基本改性机理如下：如下：1损伤强化作用损伤强化作用 具有高能量的离子注入金属表面后，将和基体金属离具有高能量的离子注入金属表面后，将和基体金属离子发生碰撞，从而使晶格大量损伤。严重的辐射损伤可使子发生碰撞，从而使晶格大量损伤。严重的辐射损伤可使金属表面原子构造从长程有序变为短程有序；甚至形成非金属表面原子构造从长程有序变为短程有序；甚至形成非晶态，使性能发生大幅度改变。所产生的大量空位在注入晶态，使性能发生大幅度改变。所产生的大量空位在注入热效应作用下会集结在位错周围，对位错产生钉扎作用而热效应作用下会集结在位错周围，对位错产生钉扎作用而把该区强化。把该区强化。本讲稿第三十一页，共五十二页2注入掺杂强化注入掺杂强化 N，B等等注注入入元元素素被被注注入入金金属属后后，与与金金属属形形成成-Fe4N，CrN，TiN等等氮氮化化物物，Be6B，Be2B等等硼硼化化物物星星点点状状嵌嵌于于材材料料中中，构构成成硬硬质质合金弥散相，使基体强化。合金弥散相，使基体强化。本讲稿第三十二页，共五十二页3喷丸强化作用喷丸强化作用 高高速速离离子子轰轰击击基基体体表表面面，有有类类似似于于喷喷丸丸强强化化的的冷冷加加工工硬硬化化作作用用。离离子子注注入入处处理理能能把把2050的的材材料料加加入入近近表表面面区区，使使表表面面成成为为压压缩缩状状态态。这这种种压压缩缩应应力力能能起起到到填填实实表表面面裂裂纹纹和和降降低低微微粒粒从从表表面面上剥落的作用，从而提高抗磨损能力。上剥落的作用，从而提高抗磨损能力。4增强氧化膜、提高润滑性增强氧化膜、提高润滑性 离子注入会促进粘附性表面氧化物的生长，其原因是辐射温度与辐离子注入会促进粘附性表面氧化物的生长，其原因是辐射温度与辐射本身对扩散的促进作用，该类氧化膜可显著减少摩擦系数。射本身对扩散的促进作用，该类氧化膜可显著减少摩擦系数。本讲稿第三十三页，共五十二页 不同基体注入不同离子时对性能的影响：不同基体注入不同离子时对性能的影响：本讲稿第三十四页，共五十二页12-4-3 离子注入技术的特点和应用离子注入技术的特点和应用由于注入的离子纯洁，首先被用于半导体元件的制造，目前由于注入的离子纯洁，首先被用于半导体元件的制造，目前市场上大部分硅元件都采用该工艺制造。市场上大部分硅元件都采用该工艺制造。随着高能量离子注入设备的开发，离子注入能力增大，许多新的应随着高能量离子注入设备的开发，离子注入能力增大，许多新的应用领域被开发。用领域被开发。本讲稿第三十五页，共五十二页对于离子注入技术，目前研究的两个主要突破方向是：对于离子注入技术，目前研究的两个主要突破方向是：(1)把离子注入作为改进材料的力学或化学性能的有效手段；把离子注入作为改进材料的力学或化学性能的有效手段；(2)把离子注入作为冶金手段来研究液态介质腐蚀、高温氧把离子注入作为冶金手段来研究液态介质腐蚀、高温氧化及溶质捕获等基本机制。化及溶质捕获等基本机制。本讲稿第三十六页，共五十二页离子注入技术主要特点离子注入技术主要特点：(1)注注入入离离子子的的能能量量很很高高，可可以以高高出出热热平平衡衡能能量量的的23个个数数量量级级。原则上讲，周期表上的任何元素，都可注人任何基体材料。原则上讲，周期表上的任何元素，都可注人任何基体材料。(2)注注入入元元素素的的种种类类、能能量量、剂剂量量均均可可选选择择，用用这这种种方方法法形形成成的的表表面面合合金金，不不受受扩扩散散和和溶溶解解度度的的经经典典热热力力学学参参数数的的限限制制，即即可可得得到到用用其其它它方法得不到的新合金相。方法得不到的新合金相。(3)离离子子注注入入层层相相对对于于基基体体材材料料没没有有边边缘缘清清晰晰的的界界面面，因因此此表表面面不不存存在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。本讲稿第三十七页，共五十二页(4)离子注入控制电参量，易于精确控制注入离子的浓度分布。离子注入控制电参量，易于精确控制注入离子的浓度分布。(5)离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无形变、无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适形变、无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适于高精密部件的最后工艺。于高精密部件的最后工艺。(6)可有选择地改变基体材料的表面能量可有选择地改变基体材料的表面能量(湿润性湿润性)，并在表面，并在表面内形成压应力。内形成压应力。本讲稿第三十八页，共五十二页离子注入技术的缺点离子注入技术的缺点：设备昂贵，成本较高，目前主要用于重要的精密关键部件。设备昂贵，成本较高，目前主要用于重要的精密关键部件。离子注入层较薄，如十万电子伏的氮离子注入离子注入层较薄，如十万电子伏的氮离子注入GCrl5钢中的钢中的平均深度仅为平均深度仅为0.1 m，这就限制了它的应用范围。，这就限制了它的应用范围。离子注入不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件。离子注入不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件。离子注入零件要在真空室中处理，受到真空室尺寸的限离子注入零件要在真空室中处理，受到真空室尺寸的限制。制。本讲稿第三十九页，共五十二页用离子注入改变材料的摩擦磨损性能用离子注入改变材料的摩擦磨损性能：(1)减少表面摩擦力；减少表面摩擦力；(2)提高表面抗磨损性。提高表面抗磨损性。本讲稿第四十页，共五十二页离子注入在腐蚀工程中的应用离子注入在腐蚀工程中的应用利用离子注入技术可以改进金属及合金的抗腐蚀性。利用离子注入技术可以改进金属及合金的抗腐蚀性。在钢表面上进行在钢表面上进行Cr+的注入可以显著提高钢的抗腐蚀性，的注入可以显著提高钢的抗腐蚀性，B+和和N+的注入有助于降低钢在酸性和酸性氯化物介质中的注入有助于降低钢在酸性和酸性氯化物介质中的腐蚀速率。的腐蚀速率。本讲稿第四十一页，共五十二页Mo在在Al中是不可溶的，但是在中是不可溶的，但是在20keV下铝中注入下铝中注入1017Mo+/cm2可得到单相固溶体，使纯铝的一般腐蚀可得到单相固溶体，使纯铝的一般腐蚀性能和点蚀抗力有了较大的改善。性能和点蚀抗力有了较大的改善。在在40keV，107离子离子/cm2条件下，将条件下，将P+离子注入离子注入304SS和和316SS钢中，可产生非晶态表面合金，使耐腐钢中，可产生非晶态表面合金，使耐腐蚀性明显提高。蚀性明显提高。本讲稿第四十二页，共五十二页离子注入在研究合金基础理论中的应用离子注入在研究合金基础理论中的应用 在合金的基础理论及显微状态研究中，离子注入有突出的特在合金的基础理论及显微状态研究中，离子注入有突出的特点：点：(1)离子注入可产生与相图无关的特定成分的混合物，这在与亚稳离子注入可产生与相图无关的特定成分的混合物，这在与亚稳相有关的研究中显示出特殊的优越性。相有关的研究中显示出特殊的优越性。(2)离子注入元素的深度分布范围可控制，在单相的基体上可离子注入元素的深度分布范围可控制，在单相的基体上可引入若干不同成分的层，通过观察各层间的溶质流动，可解引入若干不同成分的层，通过观察各层间的溶质流动，可解释多相平衡、溶质捕获这样的复杂问题。释多相平衡、溶质捕获这样的复杂问题。(3)用离子沟道效应来分析离子注入注入后的基材，对于研究用离子沟道效应来分析离子注入注入后的基材，对于研究溶质原子在晶格中的位置和研究捕获对象特别有用的。溶质原子在晶格中的位置和研究捕获对象特别有用的。本讲稿第四十三页，共五十二页离子注入发展动向离子注入发展动向离子注入技术的发展包括工艺的改进和应用领域的拓宽。离子注入技术的发展包括工艺的改进和应用领域的拓宽。工艺改进主要体现在离子注人已由单纯的一次注入发展为轰击扩散镀工艺改进主要体现在离子注人已由单纯的一次注入发展为轰击扩散镀层及离子束混合技术和不同能量的重叠注入方法。层及离子束混合技术和不同能量的重叠注入方法。应用领域已广泛地用于电子、宇航尖端零件、重要化工零件、医学矫应用领域已广泛地用于电子、宇航尖端零件、重要化工零件、医学矫形件以及模具、刀具和磁头的表面改质，而且作为陶瓷和高分子材料形件以及模具、刀具和磁头的表面改质，而且作为陶瓷和高分子材料的改性技术也引起人们关注。的改性技术也引起人们关注。本讲稿第四十四页，共五十二页12-4 电子束技术电子束技术 12-4-1 电子束对材料表面的作用电子束对材料表面的作用 电电子子束束射射到到材材料料表表面面会会同同材材料料的的原原子子核核及及电电子子发发生生交交互互作作用用。由由于于与与核核的的质质量量差差别别极极大大，两两者者的的碰碰撞撞基基本本上上属属于于弹弹性性碰碰撞撞，能能量量传传递递主主要要是通过与基体的电子碰撞实现的。是通过与基体的电子碰撞实现的。本讲稿第四十五页，共五十二页用激光照射时，均匀介质最大能量沉淀发生在表面，而且用激光照射时，均匀介质最大能量沉淀发生在表面，而且吸收和反射对表面结构极为敏感。而用电子束辐照时，能吸收和反射对表面结构极为敏感。而用电子束辐照时，能量沉积仅依赖于入射能量量沉积仅依赖于入射能量E和靶材原子序数和靶材原子序数(Z)。改变电子束的入射角，沉积能量也会随之改变。随着入射改变电子束的入射角，沉积能量也会随之改变。随着入射角的减少，沉积能量峰值向表面移动，入射角越小表面温角的减少，沉积能量峰值向表面移动，入射角越小表面温度梯度越高。度梯度越高。本讲稿第四十六页，共五十二页12-4-2 电子束表面改性电子束表面改性电子束在真空条件下可以像激光束技术一样用于材料的表面改性。方电子束在真空条件下可以像激光束技术一样用于材料的表面改性。方法与激光类似，包括：法与激光类似，包括：(1)电子束淬火：即利用钢铁材料的马氏体相变进行表面强电子束淬火：即利用钢铁材料的马氏体相变进行表面强 化。化。本讲稿第四十七页，共五十二页(2)电子束表面合金化：如果提高电子束功率，材料表面会发生电子束表面合金化：如果提高电子束功率，材料表面会发生熔化，若在熔池中添加合金元素即可进行电子束合金化。熔化，若在熔池中添加合金元素即可进行电子束合金化。(3)电子束覆层：基材不熔化而形成另一种材料的薄层。电子束覆层：基材不熔化而形成另一种材料的薄层。(4)制造非晶态层：使熔化的表面层激冷而获得薄的微晶或非晶制造非晶态层：使熔化的表面层激冷而获得薄的微晶或非晶态层。态层。本讲稿第四十八页，共五十二页电子束改性的特点电子束改性的特点电电子子束束改改性性与与激激光光束束改改性性有有大大致致相相同同的的特特点点，但但在在以以下下几几方方面面两两者者又有差异：又有差异：能能量量利利用用率率：金金属属对对激激光光吸吸收收率率很很低低，而而对对电电子子束束吸吸收收率率非常高，甚至可达非常高，甚至可达99，电子束功率可比激光大一个数量级。，电子束功率可比激光大一个数量级。能能量量透透入入深深度度：激激光光的的透透入入深深度度很很小小，一一般般为为0.1 m，而而电电子束透人深度大得多，一般为子束透人深度大得多，一般为10 m。本讲稿第四十九页，共五十二页 气氛：激光是在大气条件下进行，方便；电子束是在真空条气氛：激光是在大气条件下进行，方便；电子束是在真空条件下进行，工件尺寸受限，但可防止氧化。件下进行，工件尺寸受限，但可防止氧化。对焦：激光的焦点是固定的，对焦必须移动工件；电子束对焦：激光的焦点是固定的，对焦必须移动工件；电子束对焦通过调节聚束透镜的电流即可，很方便。对焦通过调节聚束透镜的电流即可，很方便。束流偏转：激光必须更换反射镜；电子束可通过电流任意束流偏转：激光必须更换反射镜；电子束可通过电流任意控制。控制。设备运转成本：激光要比电子束高设备运转成本：激光要比电子束高10倍左右。倍左右。本讲稿第五十页，共五十二页电子束改性的应用电子束改性的应用目前在国内外主要用电子束淬火。目前在国内外主要用电子束淬火。淬火件的类型有：淬火件的类型有：V型件，如导轨的底板；型件，如导轨的底板；空心件，如钢套；空心件，如钢套；转动轴件；转动轴件；阀门密封面；阀门密封面；精密齿轮表面；精密齿轮表面；工模具以及某些特殊零件。工模具以及某些特殊零件。例如，在汽车用的转缸式发动机中振动最厉害的顶部密封件的制造，采用例如，在汽车用的转缸式发动机中振动最厉害的顶部密封件的制造，采用了电子束熔融处理。把滑动面用电子束熔化约了电子束熔融处理。把滑动面用电子束熔化约3mm深，可以得到比任何铸深，可以得到比任何铸件都细的渗碳体组织。件都细的渗碳体组织。本讲稿第五十一页，共五十二页作作 业业1、什么是激光表面合金化和激光表面熔覆？、什么是激光表面合金化和激光表面熔覆？两者有何联系和区别？两者有何联系和区别？2、电子束表面改性的特点是什么？试与激光、电子束表面改性的特点是什么？试与激光束进行比较。束进行比较。3、离子注入基本的改性机理是什么？、离子注入基本的改性机理是什么？本讲稿第五十二页，共五十二页