高能束表面處理

1、激光表面處理2、電子束表面處理3、離子注入表面改性1、激光表面處理主要內(nèi)容：1、激光的特點(diǎn)2、激光表面處理設(shè)備3、激光表面處理技術(shù)1.1激光簡介

激光（Laser）激光體，2.光泵浦能量，3.反射鏡，4.輸出功率藕合器，5.激光束通過輻射線的受激放射達(dá)到光的放大，簡稱激光。

主要特點(diǎn)：1.高單色性2.高方向性3.高相干性4.高亮度1.高單色性受激輻射光（激光）是原子在發(fā)生受激輻射時(shí)釋放出來的光，其具有相同的位相和波長，其頻率組成范圍非常狹窄，就是受激輻射光單色性非常好。由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度。激光的單色性是實(shí)現(xiàn)激光加工的重要因素。2.高方向性激光光束的發(fā)散角可以小于一到幾個(gè)毫弧度，可以認(rèn)為光束基本上是平行的。激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長的距離的同時(shí)，還能保證聚焦得到極高的功率密度。3.高相干性相干性主要描述光波各個(gè)部分的相位關(guān)系。因?yàn)樗念l率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點(diǎn)上，把能量高度集中起來，這就叫相干性高。4.高亮度激光器發(fā)射出來的光束非常強(qiáng)，通過聚集集中到一個(gè)極小的范圍之內(nèi)，可以獲得極高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可達(dá)1014W/cm2，在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。外激發(fā)源工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）諧振腔種類作用種類作用種類作用輸出Laser電源：如CO2He-Ne激光器光源:如紅寶石YAG激光器(氙燈,氪燈)提供泵浦能量氣體、固體、液體、半導(dǎo)體、等離子體、化學(xué)物質(zhì)通過受激輻射產(chǎn)生確定模式的光子（波長、位相相同）兩平行反射面組成：光學(xué)諧振腔通過選膜：產(chǎn)用同方向，同頻率，同位相的激光1.2激光表面處理設(shè)備激光器工作原理：激光器的基本構(gòu)成增益介質(zhì)光放大器（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)不再遵守Boltzman分布）泵浦源為放大器提供能量（閃光燈、放電、其它激光等）光諧振腔將受激放大的光儲存在腔模中（增加放大器等效長度，增加模密度）激光結(jié)構(gòu)：M1反射鏡，M2輸出耦合鏡（反射率R2

決定腔內(nèi)外強(qiáng)度差）1.2激光表面處理設(shè)備激光體，2.光泵浦能量，3.反射鏡，4.輸出功率藕合器，5.激光束1.2.1激光器的分類按工作物質(zhì)：氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器等按運(yùn)轉(zhuǎn)方式：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器按波長：紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器、毫米波激光器、X射線激光器等按泵浦方式：電激勵(lì)激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、熱能激勵(lì)激光器等按諧振腔：內(nèi)腔激光器、外腔激光器、環(huán)形腔激光器折疊腔激光器等根據(jù)工作物質(zhì)分類

固體激光器：紅寶石，Nd:YAG，釹玻璃氣體激光器：He—Ne，CO2，離子激光器液體激光器：染料激光器半導(dǎo)體激光器：同質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)，量子阱主材料：晶體或玻璃晶體：1)金屬氧化物Al2O3，氧化釔Y2O3，釔鋁石榴石Y3Al5O12（YAG）。2)鋁酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等。鋁酸釔YALO3(YAP)、氟磷酸鈣Ca(PO4)3F等。3)氟化物晶體：氟化鈣CaF2、氟化鋇BaF玻璃：硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃（有高的機(jī)械強(qiáng)度、高的導(dǎo)熱特性）摻雜材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+，Sm2+，Er2+）過渡金屬（Cr3+，Ni3+）1.2.2固體激光器固體激光器的特點(diǎn)能量大，峰值功率高結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用連續(xù)輸出功率不如氣體激光器固體激光器基本結(jié)構(gòu)固體激光工作物質(zhì)泵浦光源聚光腔諧振腔冷卻1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器（1）紅寶石（Cr3+：Al2O3)激光器梅曼正在演示他的第一只紅寶石激光器第一臺紅寶石激光器原理圖利用石英晶體把紅寶石激光器發(fā)出的紅光變成藍(lán)光

紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體（重量比為0.03%～0.07%)，吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)，各向異性晶體，具有雙折射。紅寶石中鉻離子的吸收光譜U帶：360~450nm

（峰410nm）Y帶：510~600nm

（峰550nm）

入射光偏振方向平行或垂直光軸，吸收譜略有差別。發(fā)光機(jī)理

紅寶石中鉻離子的三能級結(jié)構(gòu)發(fā)射譜輻射波長：R1線：694.3n（強(qiáng)）R2線：692.9n（弱）2E能級分解成二個(gè)能級：2A、E，△E=29cm-1

上的粒子數(shù)占47%，上的粒子數(shù)占53%，而且與之間存在快速弛豫，所以R1線比R2線優(yōu)先振蕩。R1線一旦振蕩，上的粒子及時(shí)補(bǔ)充到上，因此不形成R2線振蕩輸出。激光振蕩時(shí)只有694.3nm的激光輸出。（1）三能級系統(tǒng)，閾值泵浦能量高，以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)（6）調(diào)Q巨脈沖：峰值功率幾十MW，脈寬幾十ns。（2）溫度效應(yīng)明顯（溫度升高，移向長波，線寬增加）。溫度增加10度，波長變化0.07nm。（3）熒光線寬較大，有100多個(gè)縱模振蕩，單色性差。（4）激光上能級壽命長（3ms），有利于儲能，輸出能量大。（5）激光器輸出紅光，適合應(yīng)用需要。輸出特性紅寶石激光器特性脈沖光源泵浦波長：694.3nm脈沖寬度：~1ms脈沖能量：100J脈沖頻率：幾Hz電光效率：0.1%~1%紅寶石激光器的缺點(diǎn)：需要高能量的泵浦光源較低的效率冷卻困難，使輸出脈沖頻率不能太高目前紅寶石激光器主要被YAG激光器所替代（2）釹釔鋁石榴石激光器（Nd:YAG）

將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)行熔化結(jié)晶而成。Nd2O3的重量比為0.725%（摻入約1%原子百分比的釹離子），晶體呈淡紫色，它的激活粒子是釹離子(Nd3＋)，亞穩(wěn)態(tài)壽命230微秒，有多個(gè)激發(fā)態(tài)，有多個(gè)激光下能級。YAG激光器的泵浦燈和激光棒結(jié)構(gòu)示意圖（中心波長810nm和750nm，帶寬30nm）（亞穩(wěn)態(tài)）無輻射躍遷（很快）四能級四能級三能級E2E2發(fā)光機(jī)理4I11/24I13/24I9/2E3基態(tài)：4I9/2泵浦（亞穩(wěn)態(tài)）無輻射躍遷（很快）1064nm四能級1350nm四能級三能級946nmE2E24I11/24I13/2E1E4Nd-YAG激光器的特性連續(xù)或脈沖工作方式脈沖頻率：10-100Hz連續(xù)功率輸出：10-100w脈沖輸出功率：50mJ—10J波長:1.06um，采用非線性晶體倍頻，可實(shí)現(xiàn)二倍頻：532nm

三倍頻：355nm

四倍頻：266nm基質(zhì)：硅酸鹽或磷酸鹽玻璃

摻雜：Nd2O3，濃度3%吸收譜：類似Nd:YAG，但吸收譜更寬。發(fā)射譜：0.92μm，1.062μm，1.37μm，熒光線寬大（～30nm），鎖模超短脈沖：脈寬優(yōu)點(diǎn)：大尺寸（直徑10cm，長度1m），玻璃各項(xiàng)同性，均勻性好，亞穩(wěn)態(tài)壽命長（600~900μs），儲能大?？捎糜诖竽芰看蠊β始す馄?。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱差，熱膨脹系數(shù)大，不適于連續(xù)或高重復(fù)頻率工作（3）釹玻璃激光器1.2.3氣體激光器原子氣體激光器工作物質(zhì)為未電離的氣體原子，如He-Ne激光器分子氣體激光器工作物質(zhì)為未電離的氣體分子，如CO2激光器、氮分子激光器離子激光器如氬離子激光器和氦鎘離子激光器氣體激光器的特點(diǎn)氣體激光器的工作物質(zhì)：氣體或蒸汽波長范圍：紫外到紅外優(yōu)點(diǎn)：

1.工作物質(zhì)均勻性好，光束質(zhì)量好

2.連續(xù)輸出功率高

3.轉(zhuǎn)換效率高

4.結(jié)構(gòu)簡單

5.成本低應(yīng)用：準(zhǔn)直、導(dǎo)向、計(jì)量、材料加工、全息術(shù)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)育種、國防等工作物質(zhì)為二氧化碳，加入氮?dú)?、氦氣作為輔助氣體，以提高輸出功率和效率。主要特點(diǎn)：輸出功率和能量相當(dāng)大，既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，連續(xù)工作輸出功率達(dá)到幾十萬瓦，脈沖工作脈寬大ns量級，峰值功率達(dá)TW，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)20~25%；輸出波長分布在9～18m，已觀察到上百條譜線，其中10.6m最重要。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。（1）CO2激光器CO2激光器基本結(jié)構(gòu)放電管內(nèi)徑：1-幾厘米放電管長：1-幾米

CO2氣體激光器基本結(jié)構(gòu)有對稱振動、形變振動、反對稱振動三種形式。發(fā)光原理（1）上能級的激發(fā)：電子與CO2分子直接碰撞激發(fā)；高速電子與N2分子碰撞，N2再與基態(tài)的CO2分子發(fā)生能量的共振轉(zhuǎn)移。（2）發(fā)射激光：上能級的CO2分子向不同的下能級躍遷，產(chǎn)生10.6m和9.6m的激光，存在譜線競爭，但10.6m的躍遷幾率大。（3）下能級的弛豫：從激光下能級到基態(tài)的輻射躍遷是禁戒的，只能分兩步輻射躍遷到基態(tài)，但輻射躍遷幾率很小。下能級的弛豫主要是靠碰撞躍遷，分兩步來實(shí)現(xiàn)。下能級的CO2分子與基態(tài)CO2分子碰撞回到010能級，然后再與基態(tài)He原子碰撞回到基態(tài)。He氣還有很好的導(dǎo)熱性質(zhì)，可降低混合氣體的溫度。激發(fā)過程(1)放電特性

相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。

(2)溫度效應(yīng)

CO2激光器將有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。輸出特性分類：有機(jī)化合物液體激光器(染料激光器)

無機(jī)化合物液體激光器(無機(jī)液體激光器)特點(diǎn)：波長可調(diào)諧，調(diào)諧范圍廣可產(chǎn)生極短的超短脈沖(10-15s)

可獲得窄的譜線寬度(10-5-10-6nm)1.2.4液體激光器染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料如砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、碲錫鉛(PbSnTe)特點(diǎn)：體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低應(yīng)用：光纖通訊、光盤、準(zhǔn)直、顯示等1.2.5半導(dǎo)體激光器激光器波長（μm）光子能量（eV）功率輸出方式模式發(fā)散角全角電光轉(zhuǎn)化效率（%）CO210.60.12大，可達(dá)幾十千瓦連續(xù)、脈沖基膜或多模1-315-20YAG1.061.16小，最大幾千瓦連續(xù)、脈沖多模5-2031.2.6主要工業(yè)用激光器1.2.7激光與物質(zhì)的作用機(jī)理激光與物質(zhì)作用的幾個(gè)階段：①激光照射到材料表面；②激光被材料吸收變?yōu)闊崮?；③表層材料受熱升溫；④發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變、熔化甚至蒸發(fā)；⑤材料在激光作用后冷卻。1.2.7激光與物質(zhì)的作用機(jī)理（1）熱作用由于激光光子的吸收而產(chǎn)生的熱效應(yīng)（2）力作用

a.光壓：I=－?－，式中，W/S是激光的功率密度，C是光子的速度

b.表面等離子形成的沖擊力（3）光作用光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制：由于吸收光子能量導(dǎo)致的光分解和裂解光熱化學(xué)機(jī)制：光子被吸收后分子熱振動加?。祝樱茫?.3激光表面處理技術(shù)工藝方法功率密度（W/cm2）冷卻速度（℃/s）作用區(qū)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激光沖擊硬化109-1012104-1060.02-0.21.3.1激光淬火極快的加熱速度和冷卻速度

柔性好，易于自動化生產(chǎn)精密節(jié)能自淬火也稱激光相變強(qiáng)化。是在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，其表層被迅速加熱，并在激光停止輻射后快速自冷卻使表面硬化的一種工藝方法。45鋼表面激光淬火橫截面金相組織激光淬火影響因素

影響因素： 基材成分：淬硬性、淬透性 工藝參數(shù)：激光參數(shù) 表面狀態(tài)：表面吸收率激光淬火實(shí)例齒輪的激光強(qiáng)化，激光熱處理可以使齒輪獲得比常規(guī)熱處理高的表面硬度及硬度分布均勻的相變硬化層，從而提高其耐磨、耐蝕、耐沖擊和耐疲勞性能，且激光強(qiáng)化過程中工件變形小。柴油機(jī)曲軸的激光強(qiáng)化，發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)證明，激光強(qiáng)化后的曲軸頸平均磨損比普通淬火減少90%，汽車行駛4.5×104~5×104km，曲軸的耐磨性提高1倍以上。曲軸軸頸表面激光強(qiáng)化

激光合金化：利用激光改變金屬或者合金表面化學(xué)成分的技術(shù)

激光熔覆：用激光在基體表面覆蓋一層薄的具有特定性能的涂層技術(shù)

兩者都是通過添加了其他金屬或合金，在工件表面形成了一層具有特種功能（如耐磨性、耐蝕性、耐高溫等）的合金層，提高工件性能，延長工件使用壽命。二者技術(shù)實(shí)質(zhì)一樣，

合金化過程更以基材的熔化為主，通過外加合金改變表面化學(xué)成分；

熔覆更強(qiáng)調(diào)外加合金的熔化，希望在保證冶金結(jié)合前提下盡可能降低稀釋率

1.3.2激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）

粉末預(yù)置堆焊同步送粉堆焊同軸送粉側(cè)向送粉激光堆焊原理激光熔覆工業(yè)應(yīng)用實(shí)例

激光熔覆的應(yīng)用主要在兩方面，即耐腐蝕（包括耐高溫腐蝕）和耐磨損。應(yīng)用的實(shí)例如內(nèi)燃機(jī)的閥和閥座的密封面的激光熔覆，水、氣和蒸汽分離器的激光熔覆等。激光堆焊實(shí)例

激光重熔合金化應(yīng)用于金屬和合金，主要是鋼和鑄鐵，通過添加組元來提高耐熱性、耐腐蝕性、耐磨料磨損和耐侵蝕磨損性。激光熔化合金化主要用于基材與氮、碳和氧的合金化?；陌ǖ吞间摗X及其合金、鈦和鈦合金等。鋁合金激光表面合金化的一些研究結(jié)果軸類零件表面激光熔覆

冶金軋輥激光合金化激光非晶化:是利用激光快速加熱和快速冷卻的特點(diǎn)加熱材料表面使其熔化，并以大于一定臨界冷卻速度急冷至低于某一特征溫度，以抑制晶體形核和生長，從而獲得非晶材料的技術(shù)。其原理是基于被激光加熱的金屬表面熔化后，以大于臨界冷卻速度急冷，來抑制晶體的成核和生長，從而在金屬表面獲得非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。與急冷法制得的非晶態(tài)合金相比，激光法制取的非晶態(tài)合金優(yōu)點(diǎn)：冷卻速度高；激光非晶態(tài)處理還可減少表層成分偏析，消除表層的缺陷和可能存在的裂紋。1.3.3激光非晶化

激光沖擊硬化：激光沖擊硬化主要是利用強(qiáng)激光與材料表面相互作用產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)——強(qiáng)應(yīng)力波來改善材料的性能。激光使材料表面薄層迅速汽化，產(chǎn)生沖擊波。沖擊波產(chǎn)生的壓力幅值大約為105大氣壓，它足以使金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，其結(jié)構(gòu)類似于經(jīng)爆炸沖擊及快速平面沖擊的材料中的亞結(jié)構(gòu)。采用激光沖擊硬化，可強(qiáng)化焊縫熱影響區(qū)的金屬，還可以阻止或延緩材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。1.3.4激光沖擊硬化激光沖擊硬化示意圖2、電子束表面處理主要內(nèi)容：1、電子束表面處理的主要特點(diǎn)2、電子束表面處理工藝3、電子束表面處理設(shè)備4、電子束表面處理應(yīng)用電子束是一束集中的高速電子。特點(diǎn)：它的速度取決于加速電壓的高低，可達(dá)到光速的2/3左右。具有高的功率和功率密度的電子束撞擊材料表面，可使能量沉積在材料的亞表層區(qū)域，并可形成亞穩(wěn)金屬合金?？稍趲追种幻肷踔燎Х种幻氚呀饘俨牧嫌墒覝丶訜嶂翃W氏體轉(zhuǎn)變溫度或熔化溫度。2.1電子束簡介電子束表面處理原理：高速運(yùn)動的電子具有波的性質(zhì)，當(dāng)高速電子束照射到金屬表面時(shí)，入射電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。由于入射電子與原子核的質(zhì)量差別極大，和原子核的碰撞可以看作是彈性碰撞。因此，能量傳遞主要是通過電子束與金屬表層電子碰撞而完成的，所傳遞的能量立即以熱能的形式傳給金屬表層原子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高，使表層成分和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達(dá)到表面改性的效果。（1）電子束的加熱和冷卻速度快。將金屬材料表面由室溫加熱至奧氏體化溫度或熔化溫度僅幾分之一到千分之一秒，其冷卻速度可達(dá)106～108℃/s。（2）電子束表面處理設(shè)備整體結(jié)構(gòu)相對簡單。電子束靠磁偏轉(zhuǎn)進(jìn)行移動、掃描，而不需要工件轉(zhuǎn)動、移動和類似于激光的光傳輸機(jī)構(gòu)。（3）電子束與金屬表面偶合性好。電子束入射金屬材料表面的時(shí)候，除入射角3°～4°的特小角度外，電子束與表面的偶合不受反射的影響，能量利用率可達(dá)到90%以上。因此電子束處理工件前，工件表面不需加吸收涂層。（4）電子束能量的控制比較方便。通過燈絲電流和加速電壓很容易實(shí)施準(zhǔn)確控制，根據(jù)工藝要求，很容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。2.2電子束表面處理特點(diǎn)（5）電子束加熱時(shí)能量沉積范圍較寬，而且約有一半電子作用區(qū)幾乎同時(shí)熔化。材料表面的熔化層至少幾個(gè)微米厚，這會影響冷卻階段固-液相界面的推進(jìn)速度。（6）電子束加熱的液相溫度相對于激光加熱偏低，因而溫度梯度較小。（7）電子束是在真空中工作的，以保證在處理中工件表面不被氧化，并得到純凈的表面處理層。但由此也帶來許多不便，例如工件尺寸受真空室的限制，尤其是對大批量流水線生產(chǎn)來說更是無法接受。因此，目前電子束淬火、電子束合金化及電子束熔覆技術(shù)只在一些很小的工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。（8）當(dāng)使用電壓超過150kW時(shí)，電子束易激發(fā)X射線，使用過程中應(yīng)注意防護(hù)。2.2.1電子束與激光束的比較電子束表面改性電子束表面精細(xì)化電子束預(yù)涂氣體合金化電子束表面非晶化電子束預(yù)涂敷層合金化固態(tài)相變電子束表面淬火電子束表面合金化電子束表面熔覆電子束表面熔凝液態(tài)相變不同材料電子束處理的技術(shù)分類2.3電子束表面處理工藝

相變硬化是最早采用的電子束表面處理的方法，電子束以很高的速度轟擊金屬表面，電子與金屬材料中的原子相碰撞，給原子以能量，使金屬表面溫度迅速升高。當(dāng)材料被加熱到奧氏體點(diǎn)以上、熔點(diǎn)以下時(shí)，采用自身淬火冷卻，達(dá)到表面硬化層。由于自身冷卻的冷速可以超過105K/s，獲得的表面硬化層的硬度比感應(yīng)加熱、火焰加熱等高出幾個(gè)HRC單位，組織也更為細(xì)化。

2.3.1電子束表面相變強(qiáng)化圖中采用兩個(gè)方向的電子束掃描，并且對電子束的束斑和功率密度也進(jìn)行了改變，在加熱的初始階段，采用大功率密度，小束斑直徑，以獲得高功率密度的加熱；在加熱后期，采用小功率密度，大束斑直徑，減少功率，獲得一定深度范圍內(nèi)較高的溫度的加熱層，提高淬硬層深度。電子束表面淬火（HE）和常規(guī)淬火（H）的硬度對比圖為幾種鋼材經(jīng)電子束加熱表面淬火和常規(guī)淬火得到的硬度的對比，可見硬度值提高3～4個(gè)HRC。電子束淬火的表面的組織結(jié)構(gòu)為表層的硬化層和硬化層與心部之間的回火區(qū)域。將具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金屬表面上，然后用電子束加熱熔化，或在電子束作用的同時(shí)加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，使零件表面形成一層很薄的具有良好性能的合金表面層，從而使金屬表面能獲得很好的耐磨、耐腐蝕及耐熱的性能。用電子束快速加熱進(jìn)行表面合金化處理，盡管時(shí)間很短，但仍完成了液體金屬的混合和合金元素的擴(kuò)散并重新分布的過程，從而獲得了滿意的表面合金化結(jié)構(gòu)與硬度。合金化可分為兩種，即重熔和熔合。2.3.2電子束表面合金化將金屬表層和涂層重熔至一定深度,利用電子束轟擊工件表面使表面產(chǎn)生局部熔化并快速凝固，從而細(xì)化組織，達(dá)到硬度和韌性的最佳配合。對某些合金，電子束重熔可使各組成相間的化學(xué)元素重新分布，降低某些元素的顯微偏析程度，改善工件表面的性能。目前，電子束重熔主要用于工模具的表面處理上，以便在保持或改善工模具韌性的同時(shí)，提高工模具的表面強(qiáng)度、耐磨性和熱穩(wěn)定性。重熔（電子束預(yù)涂敷層合金化）熔合（電子束預(yù)涂氣體合金化）

將合金物質(zhì)的固態(tài)顆粒注入、或氣狀微粒吹入基體材料的熔池。與重熔類似，合金物質(zhì)全部或部分溶于基體材料，同時(shí)兩種材料發(fā)生混合。其中的固態(tài)顆粒可以是碳化物或其他化合物，而氣態(tài)微?？梢允堑ǖ臍怏w合金化）、一氧化碳或乙炔（可與碳合金化）。隨著合金物質(zhì)和表層的熔合，兩種材料發(fā)生了混合，生成的合金化的材料部分或完全溶于基體材料?；旌衔锬毯螅偷玫搅瞬煌诨w材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性層。該混合物就是兩種材料的合金。

電子束表面非晶化處理與激光表面非晶化處理相似，只是所用的熱源不同而已。利用聚焦的電子束所特有的高功率密度以及作用時(shí)間短等特點(diǎn)，可在表面的下層受熱最小的情況下，使材料的表面熔化形成小液池，這樣便能獲得極快的冷卻速度。如在表層熔化0.025mm深度時(shí)，可得106℃/s的冷卻速度。由于快速凝固細(xì)化顯微組織，可獲得致密性極好的非晶態(tài)層，這種非晶態(tài)組織具有很高抗腐蝕與抗疲勞的性能。2.3.3電子束表面非晶化

熔覆包括兩種工藝方法，其一是把重熔的涂層材料沉積在基體表面上，其二是采用機(jī)械送絲或把涂層材料的粉末注入電子束位于金屬工件的斑點(diǎn)。從概念上講，熔覆是一種與焊接中的搭接和噴熔相似的工藝，只不過加熱的能源變成電子束而已。該工藝常用于制造絕熱、耐腐蝕及耐磨損的涂層（如液壓件），還可用于修復(fù)損壞的機(jī)械零件（如渦輪機(jī)的工作面）等。2.3.4電子束表面熔覆

高速電子由電子槍發(fā)射，在加速電壓的作用下，速度高達(dá)光速的2/3。目前電子束加速電壓150KV，輸出功率為150KW，這些參數(shù)是激光器無法比擬的。電子束熱處理裝置由七部分組成，即電子槍、高壓油箱、聚焦系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、真空工件室、真空系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。2.4電子束表面處理設(shè)備電子計(jì)算機(jī)控制的電子束表面處理裝置下圖為電子槍結(jié)構(gòu)示意圖，電子槍由加熱燈絲（電子發(fā)射源）、陰極、陽極（電子加速）、聚束極（電子束收束）、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（電子束偏轉(zhuǎn)）、電磁透鏡和合軸系統(tǒng)等組成。

從當(dāng)前電子束表面熱改性技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，基本上仍是以鋼和鑄鐵的電子束淬火為主。電子束表面淬火的工件主要有：Ｖ型零件，如滑槽的凸緣，導(dǎo)軌的軌道底板，機(jī)床緊固裝置上的導(dǎo)向平面和臺板等；周邊要進(jìn)行淬硬的旋轉(zhuǎn)對稱部件，例如套筒、轉(zhuǎn)動軸、心軸等；錐形外表面或內(nèi)表面要淬硬的旋轉(zhuǎn)對稱部件，例如閥門、錐齒輪等。幾何形狀和外觀規(guī)則或不規(guī)則的特殊零件，如凸輪盤、連接元件、正齒輪圈等；2.5電子束表面處理應(yīng)用電子束硬化零件的典型例子是汽車和農(nóng)用機(jī)械的零部件、機(jī)械工具部件、工具以及滾球軸承，如：大尺寸活塞環(huán)、連軸器、齒輪、曲軸、渦輪葉片、鋸齒、模具切割邊、銑削刀具、車削刀具、鉆頭等。3、離子注入表面改性主要內(nèi)容：1、離子注入的原理2、溝道效應(yīng)和輻照損傷3、離子注入的特征4、離子注入表面改性的機(jī)理5、離子注入表面改性的應(yīng)用離子束實(shí)質(zhì)是一種帶正電的離子離子注入（Ionimplantation）:

離化后的原子在強(qiáng)電場的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)。離子注入裝置簡圖3.1離子注入簡介

將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電離子在強(qiáng)電場中加速，獲得較高的動能后，射入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)3.2離子注入基本過程3.2.1離子注入系統(tǒng)中科院沈陽科儀真空室尺寸：Φ1000×1200漏率：<3.75×10-7Pa·L/S真空室極限真空度：3.75×10-5Pa

3.2.2離子注入設(shè)備在離子注入機(jī)中把各種所需的離子（如N+、C+、O+、Cr+、Ni+、Ti+、Ag+等金屬或非金屬離子）加速成具有幾萬甚至百萬電子伏特能量的載能束，并注入金屬固體材料的表面層。引起材料表層的成分和結(jié)構(gòu)的變化，以及原子環(huán)境和電子組態(tài)等微觀狀態(tài)的擾動，導(dǎo)致材料的各種物理、化學(xué)或力學(xué)性能發(fā)生變化，達(dá)到表面改性的目的。在離子注入過程中，具有一定動能的離子射入固體后，就與固體表層內(nèi)的原子核和電子發(fā)生隨機(jī)碰撞。3.3離子注入原理a) Lowdopantconcentration(n–,p–)andshallowjunction(xj)MaskMaskSiliconsubstratexjLowenergyLowdoseFastscanspeedBeamscanDopantionsIonimplanterb) Highdopantconcentration(n+,p+)anddeepjunction(xj)BeamscanHighenergyHighdoseSlowscanspeedMaskMaskSiliconsubstratexjIonimplanter通過改變高能離子的能量，控制注入離子在靶材料中的位置。 3.4溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)：對晶體靶進(jìn)行離子注入時(shí)，由于晶體排列的特性使得某些角度上有長距離的開口。假如注入離子運(yùn)動方向與這些隧道般的開口相平行，這些注入的離子將不會與靶原子發(fā)生碰撞而深深地注入襯底之中。溝道效應(yīng)導(dǎo)致對注入離子在深度控制上有困難，使離子的注入距離超出預(yù)期的深度，使元件的功能受損。將晶片對離子注入的運(yùn)動方向傾斜一個(gè)角度，如沿溝道軸向(110)偏離7~10o，減小開口在晶體表面鋪上一層非結(jié)晶的材質(zhì)，使入射的離子在進(jìn)入襯底前在非晶系層里與無固定排列方式的非晶系原子產(chǎn)生碰撞而散射，降低溝道效應(yīng)的程度先進(jìn)行一次輕微的離子注入，將晶片表面的晶體結(jié)構(gòu)破壞成非晶態(tài)，再進(jìn)行真正的離子注入。3.4.1減少溝道效應(yīng)的措施（111）硅一般采取偏離晶向7°，平行偏轉(zhuǎn)15°的注入方法

110111100傾斜旋轉(zhuǎn)硅片后的無序方向3.5輻照損傷高能離子注入表面層后與靶原子發(fā)生一系