高能束表面處理

關(guān)于高能束表面處理08.03.20231第1頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.20232概述激光束、離子束、電子束三束三束材料表面改性的技術(shù)主要包括兩個(gè)方面：

1．利用三束（激光、電子）的高能量可獲得極高的加熱和冷卻速度，從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、熱平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)合金相，從而賦予材料表面特殊的性能。2.利用離子注入技術(shù)可把異類原子直接引入表面層進(jìn)行合金化，引入的原子種類和數(shù)量不受任何常規(guī)合金熱力學(xué)條件的限制。

第2頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.20233三束加熱特點(diǎn)：

1．三束直接加熱的材料表層一般深度在幾微米；2．加熱表面功率密度相當(dāng)大，一般為幾個(gè)J/cm2,電子束、離子束的脈沖寬度為10-9s，激光的脈沖寬度可短至10-12s;3．材料表面由表及里產(chǎn)生極高的溫度梯度，106～108K/cm，從而導(dǎo)致極高的冷卻速度，109～1011K/s.4．表面產(chǎn)生大量缺陷，特別是離子束，除加熱材料表面外，固體表面受到離子的轟擊時(shí)，表面原子大量被濺射出來，從而產(chǎn)生缺陷。第3頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.20234高能束流技術(shù)對材料表面的改性是通過改變材料表面的成分或結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了，成分的改變包括：表面合金化和熔覆；結(jié)構(gòu)的改變包括：組織和相的改變利用高能束的表面合金化的重要特點(diǎn)是可以獲得結(jié)構(gòu)上的亞穩(wěn)組織，往往具有抗蝕能力及較高的機(jī)械強(qiáng)度。第4頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.20235激光表面處理

激光表面處理的目的：是改變表面層的成分和顯微結(jié)構(gòu)；激光表面處理工藝包括：激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光沖擊硬化等：第5頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.20236激光表面處理的許多效果是與快速加熱和隨后的急速冷卻分不開的。加熱和冷卻速率可達(dá)106℃／s－108℃／s。目前，激光表面處理技術(shù)已用于汽車、冶金、石油、機(jī)車、機(jī)床、軍工、輕工、農(nóng)機(jī)以及刀具、模具等領(lǐng)域，并正顯示出越來越廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。第6頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.20237一、激光的特點(diǎn)

（1）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。一般的平行平面型諧振腔的激光發(fā)射角θ由下式表示：θ＝2.44λ／d式中，d為工作物質(zhì)直徑；λ為激光波長。第7頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.20238（2）高亮度性激光器發(fā)射出來的光束非常強(qiáng)，通過聚焦集中到一個(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，焦斑中心溫度可達(dá)幾千度到幾萬度，只有電子束的功率密度才能和激光相比擬。第8頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.20239（3）高單色性激光具有相同的位相和波長，所以激光的單色性好。第9頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202310二、激光表面處理設(shè)備

激光表面處理設(shè)備包括：激光器、功率計(jì)、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、工作臺、數(shù)控系統(tǒng)和軟件編程系統(tǒng)。第10頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202311(一)激光的產(chǎn)生

某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)受外界能量激發(fā)時(shí)，可能使處于亞穩(wěn)態(tài)能級的原子數(shù)目大于處于低能級的原子數(shù)目，此物質(zhì)被稱為激活介質(zhì)，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果這時(shí)用能量恰好與此物質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)和低能態(tài)的能量差相等的一束光照射此物質(zhì)，則會產(chǎn)生受激輻射，輸出大量頻率、位相、傳播和振動方向都與外來光完全一致的光，這種光稱為激光。第11頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202312（二）激光的模

激光的模系指激光束在截面上能量分布的形式。第12頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202313基模光斑呈圓形，能量較集中?；Ｅc低階模通常用于激光加工和處理，如焊接、切割等。高階模由于強(qiáng)度分布較均勻，常用于材料表面均勻加熱，可避免局部熔化。第13頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202314（三）激光的功率密度激光光斑越大，光斑上功率密度越小。因此，選擇透鏡的焦距和調(diào)節(jié)工件表面離開透鏡的位置對功率密度有重要影響。

第14頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202315（四）激光與材料的相互作用激光與材料的相互作用主要是通過電子激發(fā)實(shí)現(xiàn)的。只有一部分激光被材料所吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，另一部分激光則從材料表面反射。不同材料對不同波長激光的反射率是不同的。一般情況下，電導(dǎo)率高的金屬材料對激光的反射率高，表面粗糙度小反射率也高。第15頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202316激光器

1．氣體激光器：以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)，包括原子、分子、離子、準(zhǔn)分子、金屬原子蒸氣等。a)

氦-氖激光器：是最早出現(xiàn)的氣體激光器，也是目前用得最廣泛的典型原子激光器。它以連續(xù)放電激勵方式運(yùn)轉(zhuǎn)。其連續(xù)輸出功率最大為瓦級。第16頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202317它在可見和紅外區(qū)有許多激光譜線，最重要的是0.6328μm,1.15μm和3.39μm三條譜線。在激光加設(shè)備中，常作紅外激光器與導(dǎo)光系統(tǒng)的調(diào)整裝置。第17頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202318b)

氬離子激光器氬離子激光器是目前可見光區(qū)連續(xù)功率最高的相干光光源。其最高連續(xù)功率已達(dá)成150W，效率最高達(dá)0.6%,使用壽命超過去1000h,頻率穩(wěn)定度為2×10-5，常用于微加工中。第18頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202319c)

CO2激光器：橫向流動、快速軸流（縱流）CO2激光器輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，一般為15～20%.材料加工用的商品CO2激光器輸出功率為數(shù)十瓦至萬瓦(5～20kw)之間，脈沖輸出功率為數(shù)千瓦至105瓦。CO2激光器的波長為10.6μm.第19頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202320CO2氣體激光器的特點(diǎn)。CO2氣體激光器是以CO2氣體為激活媒質(zhì)，發(fā)射的是中紅外波段激光，波長為10.6μm。一般是連續(xù)波（簡稱CW），但也可以脈沖式地工作。其特點(diǎn)是：

①電-光轉(zhuǎn)換功率高，理論值可達(dá)4O％，一般為10％－20％。其他類型的激光器如紅寶石的僅為2％。②單位輸出功率的投資低。③能在工業(yè)環(huán)境下，長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作。④易于控制，有利于自動化。第20頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202321工業(yè)用大功率CO2激光器l）直管型（縱向流動）激光器。

第21頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.2023222）橫流型CO2激光器。

第22頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202323d)

準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器的工作粒子是一種在激發(fā)態(tài)復(fù)合為分子，而在基態(tài)離解為原子的不穩(wěn)定締合物。第23頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202324固體激光器

固體激光器的主要特點(diǎn)是：1)

固體激光器輸出光波波長較短，如紅寶石激光器輸出波長為694.3nm;Nd3+：YAG及Nd3+玻璃激光器的波長為1.06μm，比CO2激光器低一個(gè)數(shù)量級。對于大多數(shù)材料，尤其是金屬材料，激光波長越短，吸收系數(shù)越大，加熱效率越高。第24頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.2023252）固體激光器輸出比較容易用普通光學(xué)元件傳遞，在許多應(yīng)用中方便靈活。3）固體激光器結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、使用維護(hù)方便，價(jià)格也略低于氣體激光器。第25頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202326

機(jī)械系統(tǒng)（l）光束不動（包括焦點(diǎn)位置不動），零件按要求移動的機(jī)械系統(tǒng)；（2）零件不動，光束按要求移動（包括焦點(diǎn)位置移動）的機(jī)械系統(tǒng)；（3）光束和零件同時(shí)按要求移動的機(jī)械系統(tǒng)；第26頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202327第27頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202328激光束與金屬的交互作用

金屬對激光波長的吸收因金屬而異，一般為10μm左右，在臨界波長以上，金屬的反射率非常高，在90%以上，在臨界值以下，反射率急劇減小。金屬的表面狀態(tài)對于反射率極為敏感，表面越光滑反射率越高。第28頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202329激光透入金屬的深度，僅為表面下10-5cm的范圍。所以激光對金屬的加熱，可以看做是一種表面熱源，在表面層光能變?yōu)闊崮?，此后熱能按一般的傳?dǎo)規(guī)律向金屬深處傳導(dǎo)。當(dāng)激光束強(qiáng)度遠(yuǎn)低于熔化閥值時(shí)，由于輻照金屬表面中高的溫度梯度的作用，在亞表層區(qū)會產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻應(yīng)變。第29頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202330根據(jù)不同的金屬加工要求，選用不同功率的激光功率密度第30頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202331激光相變硬化

激光相變硬化中的幾個(gè)問題1．工件的黑化處理因一般情況下，大部分固體金屬都會使波長為10.6μm（CO2）激光的絕大部分反射，如果進(jìn)行黑化處理可使吸收率大幅度提高。黑化處理主要有：涂碳法、膠體石黑法和磷酸鹽法等；其中磷酸鹽法最好，其吸收率可達(dá)80～90%，膜厚僅為5μm，同時(shí)具有防銹性。第31頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.2023322．

激光束的模式激光束的能量分布和和狀態(tài)由光束的構(gòu)型或模式來描述，與光束傳輸系統(tǒng)相關(guān)的激光構(gòu)型可以有四種模式：高斯模（單模）；多模；矩型模；

頂模第32頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202333

3.焦距選擇與焦深激光熱處理多要求淬火帶在2mm以上，應(yīng)選用長焦距的透鏡和聚焦反射鏡，焦距一般為2m左右。在激光熱處理中焦深也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，焦距越大焦深也越大。第33頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202334掃描速度和方式對硬化帶的影響硬化帶深度和寬度都隨掃描速度的增加而減小。第34頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202335激光相變硬化的特點(diǎn)

1．

加熱和冷卻速度高加熱速度可達(dá)105～109℃/s,對應(yīng)的加熱時(shí)間為10-3～10-7s；冷卻速率可達(dá)104～107℃/s。掃描速率越快，冷卻速率也越快第35頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.2023362．

高硬度激光淬火層的硬度比常遠(yuǎn)規(guī)淬火層提高15～20%。淬火硬度與加熱溫度有關(guān)，與保溫時(shí)間無關(guān)。硬化層深度：通常為0.3～0.5mm。3.變形小第36頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202337表層顯微組織低碳鋼分為兩層：外層是完全淬火區(qū)，組織是隱針馬氏體；內(nèi)層是不完全淬火區(qū)，保留有鐵素體；高碳鋼分為兩層：外層是隱針馬氏體；內(nèi)層是隱針馬氏體加未溶碳化物。第37頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202338中碳鋼分為四層：外層是白亮的隱針馬氏體；硬度達(dá)HV800，比一淬火硬度高100以上；第二層是隱針馬氏體加少量屈氏體，硬度稍低；第三層是隱針馬氏體加網(wǎng)狀屈氏體，再加少量鐵素體；第四層是隱針馬氏體和完整的鐵素體網(wǎng)。第38頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202339鑄鐵可分為三層：表層是熔化＋凝固所得的樹枝狀結(jié)晶，此區(qū)隨掃描速度的增大而減??；第二層是隱針馬氏體加少量殘余的石墨及磷共晶組織；第三層是較低溫度下形成的馬氏體。第39頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202340激光處理工藝及應(yīng)用

1．激光表面強(qiáng)化

2．激光表面涂敷

3．激光表面非晶態(tài)處理

4．激光表面合金化

5．激光氣相沉積

第40頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202341第41頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202342第42頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202343電子束表面處理

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)，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。電子與原子核的碰撞可看作為彈性碰撞，因此能量傳遞主要是通過電子束的電子與金屬表層電子碰撞而完成的。所傳遞的能量立即以熱能形式傳與金屬表層原子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。這與激光加熱有所不同，激光加熱時(shí)被處理金屬表面吸收光子能量，激光并未穿過金屬表面。第43頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202344目前電子束加速電壓達(dá)125kV，輸出功率達(dá)150kw，能量密度達(dá)103MW/m2，這是激光器無法比擬的。因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。第44頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202345一、電子束表面處理主要特點(diǎn)

(1)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)l06℃／s～l08℃／s；（2）與激光相比使用成本低。電子束處理設(shè)備一次性投資比激光少（約為激光的1／3），每瓦約8美元，而大功率激光器每瓦約30美元；電子束實(shí)際使用成本也只有激光處理的一半；第45頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202346（3）結(jié)構(gòu)簡單。電子束靠磁偏轉(zhuǎn)動、掃描，而不需要工件轉(zhuǎn)動、移動和光傳輸機(jī)構(gòu)；（4）電子束與金屬表面偶合性好。電子束所射表面的角度除3°－4°特小角度外，電子束與表面的偶合不受反射的影響，能量利用率遠(yuǎn)高于激光。因此電子束處理工件前，工件表面不需加吸收涂層；（5）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，但帶來許多不便。第46頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202347（6）電子束能量的控制比激光束方便，通過燈絲電流和加速電壓很容易實(shí)施準(zhǔn)確控制，。（7）電子束輻照與激光輻照的主要區(qū)別在于產(chǎn)生最高溫度的位置和最小熔化層的厚度。電子束加熱時(shí)熔化層至少幾個(gè)微米厚，這會影響冷卻階段固一液相界面的推進(jìn)速度。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。電子束加熱的液相溫度低于激光，因而溫度梯度較小，激光加熱溫度梯度高且能保持較長時(shí)間。（8）電子束易激發(fā)X射線，使用過程中應(yīng)注意防護(hù)。第47頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202348二、電子束表面處理工藝1．電子束表面相變強(qiáng)化處理用散焦方式的電子束轟擊金屬工件表面，控制加熱速度為103℃／s－105℃／s，使金屬表面加熱到相變點(diǎn)以上，隨后高速冷卻（冷卻速度達(dá)108K／S－1010K／S）產(chǎn)生馬氏體等相變強(qiáng)化。適用于碳鋼、中碳低合金鋼、鑄鐵等材料的表面強(qiáng)化處理。第48頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.2023492．電子束表面重熔處理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。

3．電子束表面合金化處理電子束表面合金化所需電子束功率密度約為相變強(qiáng)化的3倍以上，或增加電子束輻照時(shí)間，使基體表層的一定深度內(nèi)發(fā)生熔化。

4．電子束表面非晶化處理

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。

第49頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202350三、電子束表面處理設(shè)備

處理設(shè)備包括：高壓電源、電子槍、低真空工作室、傳動機(jī)構(gòu)、高真空系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)。第50頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202351第八節(jié)

離子注入表面改性

離子注入是將所需物質(zhì)的離子在電場中加速后高速轟擊工件表面使之注入工件表面一定深度的真空處理工藝，也屬于PVD范圍。用離子注入方法可獲得高度過飽和固溶體、亞穩(wěn)定相、非晶態(tài)和平衡合金等不同組織結(jié)構(gòu)形式，大大改善了工件的使用性能。離子注入已在表面非晶化、表面冶金、表面改性和離子與材料表面相互作用等方面取得了可喜的研究成果。第51頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202352一、離子注入的原理

裝置包括離子發(fā)生器、分選裝置、加速系統(tǒng)、離子束掃描系統(tǒng)、試樣室和排氣系統(tǒng)。從離子發(fā)生器發(fā)出的離子由幾萬伏電壓引出，進(jìn)入分選部，將一定的質(zhì)量／電荷比的離子選出。在幾萬至幾十萬伏電壓的加速系統(tǒng)中加速獲得高能量，通過掃描機(jī)構(gòu)掃描轟擊工件表面。離子進(jìn)入工件表面后，與工件內(nèi)原子和電子發(fā)生一系列碰撞。

第52頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202353注入離子與工件內(nèi)原子和電子發(fā)生一系列碰撞。這一系列碰撞主要包括

三個(gè)獨(dú)立的過程：

（l）核碰撞。入射離子與工件原子核的彈性碰撞。碰撞結(jié)果使固體中產(chǎn)生離子大角度散射和晶體中產(chǎn)生輻射損傷等。（2）電子碰撞。入射離子與工件內(nèi)電子的非彈性碰撞，其結(jié)果可能引起離子激發(fā)原子中的電子或使原子獲得電子、電離或X射線發(fā)射等。（3）離子與工件內(nèi)原子作電荷交換。第53頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202354

二、溝道效應(yīng)和相照損傷高速運(yùn)動的離子注入金屬表層的過程中，與金屬內(nèi)部原子發(fā)生碰撞。由于金屬是晶體，原子在空間呈規(guī)則排列。當(dāng)高能離子沿晶體的主晶軸方向注入時(shí)，可能與晶格原子發(fā)生隨機(jī)碰撞，若離子穿過晶格同一排原子附近而偏轉(zhuǎn)很小并進(jìn)入表層深處，這種現(xiàn)象稱為溝道效應(yīng)。第54頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202355輻照損傷具有足夠能量的入射離子，或被撞出的離位原子，與晶格原子碰撞，晶格原子可能獲得足夠能量而發(fā)生離位，離位原子最終在晶格間隙處停留下來，成為一個(gè)間隙原子，它與原先位置上留下的空位形成空位一間隙原子對。這就是輻照損傷。只有核碰撞損失的能量才能產(chǎn)生輻照損傷，與電子碰撞一般不會產(chǎn)生損傷。第55頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202356輻照增強(qiáng)擴(kuò)散輻照增強(qiáng)了原子在晶體中的擴(kuò)散速度。由于注入損傷中空位數(shù)密度比正常的高許多，原子在該區(qū)域的擴(kuò)散速度比正常晶體的高幾個(gè)數(shù)量級。這種現(xiàn)象稱輻照增強(qiáng)擴(kuò)散。第56頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202357三、離子注入的特征（l）離子注入法不同于任何熱擴(kuò)散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和擴(kuò)散系數(shù)的影響。因此，用這種方法可能獲得不同于平衡結(jié)構(gòu)的特殊物質(zhì)，是開發(fā)新型材料的非常獨(dú)特的方法；第57頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202358（2）離于注入溫度和注入后的溫度可以任意控制，且在真空中進(jìn)行，不氧化，不變形，不發(fā)生退火軟化，表面粗糙度一般無變化，可作為最終工藝；（3）可控性和重復(fù)性好。通過改變離子源和加速器能量，可以調(diào)整離子注入深度和分布；通過可控掃描機(jī)構(gòu)，不僅可實(shí)現(xiàn)在較大面積上的均勻化，而且可以在很小范圍內(nèi)進(jìn)行局部改性。第58頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202359（4）可獲得兩層或兩層以上性能不同的復(fù)合材料。復(fù)合層不易脫落。注入層薄，工件尺寸基本不變。

但從目前的技術(shù)水平看，還存在一些缺點(diǎn)，如注入層薄（＜1μm）離子只能直線行進(jìn)，不能繞行，對于復(fù)雜的和有內(nèi)孔的零件不能進(jìn)行離子注入，設(shè)備造價(jià)高，所以應(yīng)用還不廣泛。第59頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202360四、離子注入表面改性的機(jī)理1．離子注入提高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的機(jī)理離子注入提高硬度是由于：注入的原子進(jìn)入位錯(cuò)附近或固溶體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的緣故。當(dāng)注入的是非金屬元素時(shí)，常常與金屬元素形成化合物，如氮化物、碳化物或硼化物的彌散相，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。離子轟擊造成的表明壓應(yīng)力也有冷作硬化作用，這些都使得離子注入表面硬度顯著提高。第60頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202361離子注入之所以能提高耐磨性，其原因是多方面的。離子注入能引起表面層組分與結(jié)構(gòu)的改變。大量的注入雜質(zhì)聚集在因離子轟擊產(chǎn)生的位錯(cuò)線周圍，形成柯氏氣團(tuán)，起釘扎位錯(cuò)的作用，使表層強(qiáng)化，加上高硬度彌散析出物引起的強(qiáng)化，提高了表面硬度，從而提高耐磨性。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為耐磨性的提高是離于注入引起摩擦系數(shù)的降低起主要作用。還認(rèn)為可能與磨損粒子的潤滑作用有關(guān)。因?yàn)殡x子注入表面磨損的碎片比沒有注入的表面磨損碎片更細(xì)，接近等軸，而不是片狀的，因而改善了潤滑性能。第61頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202362離子注入延長疲勞壽命離子注入改善疲勞性能是因?yàn)楫a(chǎn)生的高損傷缺陷阻止了位錯(cuò)移動及其間的凝聚，形成可塑性表面層，使表面強(qiáng)度大大提高。分析表明，離子注入后在近表面層可能形成大量細(xì)小彌散均勻分布的第二相硬質(zhì)點(diǎn)而產(chǎn)生強(qiáng)化，而且離子注入產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力可以壓制表面裂縫的產(chǎn)生。從而延長了疲勞壽命。第62頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.2023632．離子注入提高抗氧化性的機(jī)理離子注入顯著提高了材料抗氧化性。這是由于：（1）注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程擴(kuò)散通道，防止氧進(jìn)一步向內(nèi)擴(kuò)散；（2）形成致密的氧化物阻擋層。某些氧化物，如Al2O3、Cr2O3、SiO2能形成致密的薄膜，其他元素難以擴(kuò)散通過這種薄膜，起到了抗氧化的作用；（3）離子注入改善氧化物的塑性，減少氧化產(chǎn)生的應(yīng)力，防止氧化膜開裂；（4）注入元素進(jìn)入氧化膜后改變了膜的導(dǎo)電性，抑制陽離子向外擴(kuò)散，從而降低氧化速率。第63頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.2023643．離子注入提高耐腐蝕性的機(jī)理離子注入不但形成致密的氧化膜，而且改變表面電化學(xué)性能，提高耐蝕性。如Cr+注入Cu，能形成一般冶金方法不能得到的新亞穩(wěn)態(tài)表面相，改善了銅的耐腐蝕性能；用Pb+注入Ti后，在沸騰的濃度為1mol/L的H2SO4中耐蝕電位接近純鉛，使耐蝕性大大提高。

第64頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202365五、離子注入的應(yīng)用（一）注入冶金學(xué)注入冶金學(xué)包括兩大研究領(lǐng)域：制備新合金系統(tǒng)；測定金屬和合金的某些基本性質(zhì)。1．離子注入金屬表面合金化離子注入金屬表面會改善材料的耐磨性、耐蝕性、硬度、疲勞壽命和抗氧化性等。其原因是多方面的。以下從微觀角度分析離子注入改善性能的可能機(jī)制。第65頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日08.03.202366（1）輻照損傷強(qiáng)化離子注入產(chǎn)生的輻照損傷增加了各種缺陷的密度，改變了正常的晶格原子的排列。但研究表明，輻照本身不能改善材料耐磨性。耐磨性和耐蝕性的改善與注入元素的化學(xué)作用有關(guān)。注入離子阻止位錯(cuò)滑移，從而使表面層強(qiáng)化并降低表面疲勞裂紋的形成可能性，但對疲勞裂紋的擴(kuò)