表面工程高能束表面改性.pptx

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1、激光表面改性激光表面改性激光激光LaserLaser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1.1.激光体，激光体，2.2.光泵浦能量，光泵浦能量，3.3.反射镜，反射镜，4.4.输出功率藕合器，输出功率藕合器，5.5.激光束激光束（通过辐射线的受激放射达到光的放大，简称激光（通过辐射线的受激放射达到光的放大，简称激光 ）主要特点：主要特点：1.1.高单色性高单色性2.2.高方向性高方向性3.3.高亮度高亮度第1页/共46页21960年在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室，西奥多梅曼(Theodore Maiman)设计和

2、建造了一台小型的激光发生器。他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，产生了第一束激光，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。梅曼的实验显示，闪光灯发出的足以致盲的强光可以使红宝石棒充能，这些能量随后以纯粹的红色光脉冲的形式释放，这些相干光有恒定的相位差，就像是列队前进的士兵们。第2页/共46页3随着激光的诞生，军事机构和小说家看到射线枪能够成为现实，就开始着手打造激光武器。1964年，007电影金手指中大反派“金手指”奥瑞克威胁詹姆斯-邦德，要用激光将他锯成两半这在当时，还是纯粹的幻想。第3页/共46页4埃米特利斯(Emmett Leith)和朱瑞斯乌帕特尼克斯(Juris Upatn

3、ieks)在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造，发明了第一个不需要特制眼镜就能看到的三维图像。他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上，其中一束激光先被从被摄物体上反射开来，然后再与另一束会合，在感光片上成像。用一束与成像时相同方向的激光照射感光片，就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像。这张玩具火车图是这两位科学家在密歇根大学的威洛鲁恩实验室第一次记录的全息图。第4页/共46页5最初时，激光的色彩是相当有限的：氦氖激光器和红宝石发出红光，其他激光器则产生不可见的红外线。人们借助离子激光器第一次实现了如彩虹般的七彩激光，它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。氩气产生蓝色和绿色的光，氪产

4、生其他几种颜色，两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。梦幻的激光秀从此诞生。第5页/共46页6激光技术第一次走进日常生活，是美国超市使用发出红色氦氖激光的条形码扫描枪实现收款自动化。若尔斯阿尔费罗夫(Zhores Alferovand)和赫伯特克勒默(Herbert Kroemer)改进了制作半导体二极管激光器的方法，让激光真正地无处不在。这两位科学家因此获得了2000年的诺贝尔物理奖。(图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比。)如今，这样的芯片随处可见，比如说CD播放器、蓝光播放器、红色激光笔并构成了全球电信网络的骨干。第6页/共46页7在工业上，激光被用作永远不会变钝

5、的锯和钻头。最初人们使用激光来加工硬度很高的材料，如钻石，或非常柔软的材料，例如婴儿奶瓶的奶嘴。低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金属。早期的工业激光器，必须要有非常庞大的体形，才能产生足够的能量，但新型固态激光器却非常小巧，给人印象深刻：如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量，足以切开几厘米厚的金属片。第7页/共46页8激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。更大的成功在1968年到来，外科医生弗朗西斯莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激

6、光器破坏异常的血管，以避免这些血管在视网膜中扩散，这种病症后果非常严重，会导致糖尿病人失明。这种治疗方法已经挽救了数百万人的视力。如今，激光也被用来切割角膜，以矫正视力，或者消除胎记和刺青。第8页/共46页9 9很久以来可控核聚变都是人们最理想的清洁能源产生方式。1962年，在加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室，物理学家约翰纳科尔斯(John Nuckolls)提出用激光脉冲加热和压缩重氢同位素块来实现可控核聚变。自此之后，劳伦斯利弗莫尔实验室一直追寻着这个理念，他们使用的激光器也越来越大，终于在美国国家点火装置(National Ignition Facility)中达到巅峰。这是一个复

7、杂的系统，可以同时发出192束激光，去年，在十亿分之几秒的时间内，产生了能量达到100万焦耳的激光脉冲，使之成为有史以来能量最强的激光器。国家点火装置是美国科学家研制的、世界最大的激光核聚变装置。据悉，这个被称为“人造太阳”的装置能产生类似恒星内核温度和压力，使美国在无需核试的情况下保持核威慑力。第9页/共46页激光器激光器激光器激光器波长波长波长波长（mmmm）光子光子光子光子能量能量能量能量 （eVeVeVeV）功功功功 率率率率输出输出输出输出方式方式方式方式模式模式模式模式发散角发散角发散角发散角全角全角全角全角电光转电光转电光转电光转化效率化效率化效率化效率（%）CO210.60.1

8、2大，可达几十千瓦连续、脉冲基膜或多模1-315-20YAG1.061.16小，最大几千瓦连续、脉冲多模5-203主要工业用激光器激光表面改性激光表面改性激光表面改性激光表面改性第10页/共46页激光与物质的作用机理激光表面改性激光表面改性激光表面改性激光表面改性（1 1）热作用热作用 由于激光光子的吸收而产生的热效应由于激光光子的吸收而产生的热效应（2 2）力作用力作用 a.a.光压光压：I =I =，式中，式中，W/SW/S是激光的功率密度，是激光的功率密度，C C是光子的速度是光子的速度 b.b.表面等离子形成的冲击力表面等离子形成的冲击力（3 3）光作用光作用 光化学反应机制：由于吸收

9、光子能量导致的光分解和裂解光化学反应机制：由于吸收光子能量导致的光分解和裂解 光热化学机制：光子被吸收后分子热振动加剧光热化学机制：光子被吸收后分子热振动加剧第11页/共46页substratplasmaFusion/vaporationablation des dfautsIIIIIIO2N2Densit dnergie Laser（脉冲）（脉冲）Daprs Jos M.Vadillo,J.Javier Laserna,“Laser-induced plasma spectrometry:truly a surface analytical tool”,Spectrochimica Acta

10、 Part B,Vol.59,2004,pp.47-161.激光与物质的作用机理第12页/共46页激光表面改性技术工艺方法工艺方法工艺方法工艺方法功率密度功率密度功率密度功率密度（W/cmW/cmW/cmW/cm2 2 2 2）冷却速度冷却速度冷却速度冷却速度（/s/s/s/s）作用区深度作用区深度作用区深度作用区深度（mmmmmmmm）激光淬火激光淬火激光淬火激光淬火10104 4-10-105 510104 4-10-105 50.2-30.2-3激光合金化激光合金化激光合金化激光合金化10104 4-10-106 610104 4-10-105 50.2-20.2-2激光熔覆激光熔覆激光

11、熔覆激光熔覆10104 4-10-106 610104 4-10-106 60.2-10.2-1激光非晶化激光非晶化激光非晶化激光非晶化10106 6-10-10101010106 6-10-1010100.01-0.10.01-0.1激光冲击硬化激光冲击硬化激光冲击硬化激光冲击硬化10109 9-10-10121210104 4-10-106 60.02-0.20.02-0.2第13页/共46页1.激光淬火45钢表面激光淬火横截面金相组织激光表面改性技术l l 极快的加热速度和冷却速度极快的加热速度和冷却速度l l 精密节能精密节能l l 自淬火自淬火l l 柔性好，易于自动化生产柔性好，易

12、于自动化生产第14页/共46页影响因素：影响因素：基材成分：淬硬性、淬透性基材成分：淬硬性、淬透性工艺参数：激光参数工艺参数：激光参数表面状态：表面吸收率表面状态：表面吸收率激光表面改性技术1.激光淬火第15页/共46页激光表面改性技术1.激光淬火第16页/共46页激光表面改性技术1.激光淬火第17页/共46页2.激光熔凝表面快速加热至熔点温度以上，由基材迅速导热冷却，使表面表面快速加热至熔点温度以上，由基材迅速导热冷却，使表面熔化层快速冷却并凝固结晶熔化层快速冷却并凝固结晶。特点：硬度高；硬化层深，耐磨性好；特点：硬度高；硬化层深，耐磨性好；缺点：表面粗糙，后续加工困难缺点：表面粗糙，后续加

13、工困难 激光表面改性技术第18页/共46页2.激光熔凝激光表面改性技术第19页/共46页3.激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）激光表面改性技术粉末预置堆焊粉末预置堆焊同步送粉堆焊同步送粉堆焊同轴送粉同轴送粉侧向送粉侧向送粉第20页/共46页3.3.激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）激光堆焊（激光合金化和激光熔覆）激光合金化激光合金化：利用激光改变金属或者合金表面化学成分的技术：利用激光改变金属或者合金表面化学成分的技术 激光熔覆激光熔覆：用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂层技术：用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂层技术二者技术实质一样二者技术实质一样二者技术实质一样二者技术实质

14、一样，合金化合金化合金化合金化 过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表面化学成分；过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表面化学成分；过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表面化学成分；过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表面化学成分；熔覆熔覆熔覆熔覆 更强调外加合金的熔化，希望在保证冶金结合前提下尽可能降低稀释率更强调外加合金的熔化，希望在保证冶金结合前提下尽可能降低稀释率更强调外加合金的熔化，希望在保证冶金结合前提下尽可能降低稀释率更强调外加合金的熔化，希望在保证冶金结合前提下尽可能降低稀释率 激光表面改性技术第21页/共46页3.激光合金化和激光熔覆（激光堆焊）激光表面改性技

15、术第22页/共46页电子束产生原理 电子束表面改性技术电子速度取决于加速电压的高低，电子速度取决于加速电压的高低，一般可达到光速的一般可达到光速的 2/3 2/3 左右左右电子束加热时，能量的传递主要电子束加热时，能量的传递主要通过电子与材料的电子碰撞来实通过电子与材料的电子碰撞来实现，入射电子束动能大约有现，入射电子束动能大约有75%75%可以直接转化为热能。可以直接转化为热能。第23页/共46页电子束相变硬化 电子束表面改性技术与激光相变硬化原理相仿，但是与激光相变硬化原理相仿，但是l l在高真空度工作室（在高真空度工作室（1.33101.3310-1-1 1.33 1.331010-4-

16、4 PaPa ）进行，）进行，l l加速电压可调节范围很宽，适用面广加速电压可调节范围很宽，适用面广l l电子束传输距离长，适合于大型工件电子束传输距离长，适合于大型工件l l电子束斑可以很大，可达电子束斑可以很大，可达20 20 20 mm20 mm2 2第24页/共46页电子束表面改性技术第25页/共46页电子束表面改性技术第26页/共46页 离子注入:离子束表面改性技术离子束实质是一种带正电的离子离子束实质是一种带正电的离子离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质。Ion implantation is a materials engin

17、eering process by which ions of a material can be implanted into another solid,thereby changing the physical properties of the solid.第27页/共46页离子束表面改性技术 基本过程:v将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电离子v在强电场中加速，获得较高的动能后，射入材料表层（靶）v以改变这种材料表层的物理或化学性质第28页/共46页离子注入系统 离子束表面改性技术第29页/共46页源（Source）：一般采用气体源，如 BF3，BCl3，PH3，ASH3

18、等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器气体源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.离子源：As，Ga，Ge，Sb，P，.离子束表面改性技术第30页/共46页 The ions are generated in an ion source which consists of an oven where the particles are vaporized,a

19、nd the arc chamber,where the particles are ionized mainly by the bombardment of the atoms or molecules with electrons but also by atom/atom and atom/molecule collisions.Due to a well designed magnetic field in the arc chamber,which increases the path length of the electrons,and by the external gener

20、ation of electrons,the electron/atom collision probability is increased,enabling a larger ion density.离子源（Ion Source）第31页/共46页离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大部分不在晶格上，因而没有电活性。第32页/共46页注入离子如何在体内静止？注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程：(1)核阻止（nuclear stopping）：来自靶原子核的阻止，经典两体碰撞理论来自靶原子核的

21、阻止，经典两体碰撞理论 (2)电子阻止（electronic stopping）：来自靶内自由电子和束缚电子的阻止来自靶内自由电子和束缚电子的阻止 总能量损失为两者的和第33页/共46页 核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论注入离子的分布第34页/共46页 核阻止本领与电子阻止本领-LSS理论真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有较多的离子堆积；重离子散射得更深。注入离子的分布第35页/共46页离子注入表面改性的机理 离子束表面改性技术l 损伤强化 离子碰撞对晶格的损伤离子碰撞对晶格的损伤-原子

22、构造从长程有序变成短程有序原子构造从长程有序变成短程有序 空位对位错的钉扎作用空位对位错的钉扎作用l 注入掺杂强化 N,BN,B等元素与金属形成氮化物、硼化物等硬质相等元素与金属形成氮化物、硼化物等硬质相l 冲击强化 冷加工硬化冷加工硬化第36页/共46页AdvantagesLimitationsProduces surface alloys independent of thermodynamic criteriaLimited thickness of treated materialNo delamination concernsHigh-vacuum processNo signifi

23、cant dimensional changesLine-of-sight processAmbient-temperature processing possibleAlloy concentrations dependent on sputteringEnhance surface properties while retaining bulk propertiesRelatively costly process;intensive training required compared to other processesHigh degree of control and reprod

24、ucibilityLimited commercial treatment facilities available离子束表面改性技术离子束表面改性技术第37页/共46页离子束表面改性技术applications第38页/共46页离子束表面改性技术applications第39页/共46页工程实例40第40页/共46页工程实例41几种可行的方案1 1个月后个月后3 3个月后个月后Ti Ti 层，层，1 1个月后个月后Ti Ti 改性层，改性层，1 1个月后个月后第41页/共46页42第42页/共46页43第43页/共46页44SEM view of Ca Titanium soaked in SBF for 28 days第44页/共46页思考题1.高能束加热表面的特征有哪些？高能束加热表面的特征有哪些？2.激光束与电子束、离子束相比最大的区别是什么？激光束与电子束、离子束相比最大的区别是什么？3.除了用于表面淬火、合金化和熔覆外，表面工程中除了用于表面淬火、合金化和熔覆外，表面工程中还有那些技术是使用激光的，在这些技术中激光起还有那些技术是使用激光的，在这些技术中激光起什么作用？什么作用？第45页/共46页46感谢您的观看。第46页/共46页