激光束、电子束表面强化和离子束注入技术的分类、特点及应用

含义、分类

激光束表面处理技术

离子束注入技术

电子束表面处理技术

是通过激光(激光束)与材料的相互作用，使材料表面发生要求的物理化学变化，利用激光的高亮度、高方向性和高单色性，对材料表面进行各种处理，显著改善其组织结构和性能。设备一般由激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统、软件编程系统等构成。典型工艺有相变硬化、重熔、合金化、熔覆、非晶化、冲击硬化、脉冲激光沉积、表面烧蚀沉积

是将所需的气体或固体蒸气在真空系统中电离，引出离子束后，用数千至数十万电子伏加速轰击工件表面直接注入工件，达到一定深度，从而改变材料表面的成分、结构，改善表面性能的真空处理工艺

离子束处理技术主要有离子束刻蚀、离子束镀膜、离子镀、离子注入四种，其中前3种都是利用离子的溅射效应，最后一种则是基于离子注入效应

通常由电子枪阴极灯丝加热后发射带负电的高能电子流，通过一个环状的阳极，经加速射向工件表面，电子能深入金属表面一定深度，与工件金属的原子核及电子发生相互作用，能量以热能形式传给工件，达到改善表面性能的目的

电子束加热的深度和尺寸比激光大。但电子束是在真空中工作的，因而，推广受到限制，如工件尺寸大、大批量流水线生产时则不适宜。典型工艺有表面淬火、熔凝、熔覆、合金化

特

点

①加热冷却速度快，处理效率高

②激光能量、光斑大小和形状以及激光作用时间可以精确控制，处理效果好

③只在需要的部位进行处理，热输入低，工件热变形小甚至基本无变形

④激光束易于传输和导向，因此，可以对复杂零件表面进行处理，如深孔、沟槽表面，管状零件内壁等

⑤易于实现自动化控制，劳动生产率高

⑥节省能源，不产生环境污染

⑦激光处理可与热处理和热-化学处理、喷丸处理(激光处理前后均可)、热喷涂、放电加工(EDM)沉积或爆炸、离子注入、制作薄膜层化学气相沉积和物理气相沉积过程结合。将激光加热与机加工结合能加工其他方法难以加工的材料

激光处理的优点与电子束处理类似，但免除了电子束处理中有害X射线、真空以及表面需去磁的限制。其不足是需要严守安全规程，提高表面的能量吸收，镜面的寿命短，激光器设计复杂，价格昂贵，但由于激光处理的工件寿命可提高数十个百分点乃至几倍，总体看优点大

①可根据需要获得不同的引出离子，注入到各种各样的固态物质中，并不受固体溶解度和扩散系数的限制，即在常规下互不共溶的元素，也能实现掺杂。因此，用这种方法可获得不同于平衡结构的特殊物质，方便开发新材料

②离子注入和注入后的温度可任意控制，且在真空中进行，不氧化、不变形、不发生退火软化，表面粗糙度一般无变化，可作为最终工艺

③可控性和重复性好。改变离子源和加速器能量，可以调整离子注入深度和分布；通过可控扫描机构，不仅可实现在较大面积上的均匀化，而且可以在很小范围内进行局部改性

④可获得2层或2层以上性能不同的复合材料。复合层不易脱落。注入层薄，工件尺寸基本不变

现存缺点:注入层薄(＜1μm)；离子只能直线行进，不能绕行，对于复杂的、有内孔的零件不能进行离子注入；设备贵

①加热和冷却速度快。将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度仅几分之一到千分之一秒，其冷却速度可达10⁶～10⁸℃/s

②与激光比使用成本低。电子束设备一次性投资仅为激光的1/3，每瓦约8美元，而大功率激光器每瓦约30美元，电子束实际使用成本也只有激光处理的1/2

③结构简单。电子束靠磁偏转动、扫描，而不需要工件转动、移动和光传输机构

④电子束与金属表面偶合性好。电子束所射表面的角度除3°～4°特小角度外，电子束与表面的偶合不受反射的影响，能量利用率达90%以上，远高于激光。因此电子束处理工件前，工件表面不需加吸收涂层

⑤电子束能量的控制比较方便，通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制(比激光束方便)。根据工艺要求，很容易实现计算机控制

⑥电子束加热时，材料表面的熔化层至少有几个微米厚，这会影响冷却阶段固-液相界面的推进速度。其加热时能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎同时熔化。其加热的液相温度相对激光加热偏低，因而温度梯度较小

⑦当使用电压超过150kW时，电子束易激发X射线，使用过程中应注意防护

⑧电子束处理前，工件需进行消磁处理

激光表面强化技术的应用

改进材料表面性能

激光相变硬化

是在激光作用下使材料表面快速加热至奥氏体化温度，随后通过热量往基体内部的传导，被加热表面以很快的速度冷却，从而获得细小的马氏体组织，以提高零件表面的耐磨性，并通过在表面产生压应力来提高疲劳强度。仅适用于固态具有多形性转变的钢铁类材料

激光熔覆

是以激光束为热源在零件表面熔接一层成分和性能完全不同于基体而又与基体具有冶金结合的合金表层，以提高表面的耐磨、耐蚀性能。与表面合金化不同，激光熔覆要求基体材料仅表面一极薄层熔化，以保证熔覆材料最大限度地不被熔化的基体材料所稀释(稀释将降低熔覆层的性能)。这种合金熔覆层基本保持其原有成分和性质不变。比之合金化，激光熔覆能更好地控制表层的成分、厚度和性能

激光重熔

是在激光作用下使材料表面局部区域快速加热至熔化，随后借助于冷态的金属基体的热传导作用，使熔化区域快速凝固，形成组织结构极其细小的非平衡铸态组织，硬度高，耐磨、耐蚀性好。当扫描速度很快或激光作用时间很短时，对于有些合金，熔化层快速凝固后将得到非晶表面，有极好的耐磨损和耐蚀性能，这就是激光非晶化，有时也称为激光玻璃化

激光合金化

是在激光重熔的基础上通过向熔化区内添加一些合金元素，熔化的基体材料和添加的合金元素由于激光熔池的运动而得到混合，凝固后形成以基体成分为基础而又不同于基体成分的新的合金层，以达到所要求的使用性能。在熔化区内不仅可以添加合金元素，而且还可以添加一些碳化物类等硬质粒子，这些硬质粒子将镶嵌在合金化的基体中，从而使表面的硬度和耐磨性获得提高

激光合金化具有很高的冷却速度。这种快速冷却的非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到极高的过饱和度，形成普通合金化方法很难获得的化合物、介稳相和新相，且晶粒极其细小。激光合金化既可以在合金元素用量很小的情况下获得高性能的合金化表层，也可以获得合金含量高、常规方法无法获得或不可能获得的具有特殊性能的合金层。激光合金化为创造新的合金表层提供了广泛的可能性

激光冲击硬化

是将极高功率密度的激光束作用于材料表面，使其在极短的时间内发生爆炸性气化。原子从表面逸出时形成巨大的冲击波，其产生的压力可以高达10⁴MPa以上，这一压力远远高于材料的动态屈服点而使材料表面产生强烈的塑性变形，从而造成组织中位错密度增加形成亚结构。这种组织能大大提高材料的表面硬度、屈服强度和疲劳寿命，从而使材料性能大为改善。实践表明，用激光对7075铝合金进行冲击强化后疲劳强度可以提高3倍左右，抗裂纹扩张性能也大为提高。铝合金构件的焊缝强度采用激光冲击硬化处理后可恢复到接近母材数值

沉积薄膜

脉冲激光沉积

(PLD)

是将高功率脉冲激光束聚焦在放置于真空室中的靶材表面，使靶材表面产生高温(T≥10⁴K)，蒸发、电离、膨胀而形成羽辉，羽辉到达基片，在其上淀积成膜。目前所用脉冲激光器中以准分子激光器能量效果最好，已能够制备从高温超导薄膜到类金刚石薄膜的几乎所有薄膜。采用PLD成膜方法易于在较低温度(如室温)下制备和靶材成分一致的多元化合物薄膜，尤其适于高熔点及含易挥发成分膜材的制备。该法具有易于引进新技术的特点，在高质量纳米薄膜、外延单晶膜、多层膜及超晶格薄膜的生长方面具备广阔的应用前景

激光化学气相

沉积(LCVD)

是在传统化学气相沉积(CVD)的基础上发展起来的、利用激光形成薄膜的一项新技术。CVD是在高温下利用气态物质在固态工件表面上进行化学反应生成固态沉积薄膜的过程。LCVD是指利用激光诱导的化学反应产生游离原子或分子沉积在基材表面形成薄膜的技术，其产生的化学反应包括反应气体相、基片表面吸附相和基片表面的热化学反应、光化学反应和等离子体反应等

表面清洗

激光表面清洗

是基于激光与物质相互作用效应的一项新技术。它采用高能激光束照射到待清洗的工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层产生瞬态超热，发生气化挥发；或在基体表面瞬间产生热膨胀，该膨胀导致的平均加速度相当巨大，所引起的热应力使得吸附在工件表面的微粒或油脂克服吸附力的束缚而向前喷射，从而达到洁净工件表面的目的。该过程大致包括激光气化分解、激光剥离、污物粒子热膨胀、基体表面振动和粒子振动等几个方面。以激光辐射清洗法和激光蒸发液膜法为实际常用方法。激光清洗技术去污范围广，运行成本低，易实现自动化操作，且不使用化学试剂，是一种高经济效益的“绿色清洗”技术

制备纳米粉

激光表面烧蚀

沉积法(PLA)

作为简单有效的气化样品手段，除了被扩展到脉冲激光沉积薄膜(PLD)技术上，也是当前激光制备金属、陶瓷、金属间化合物等纳米粉的主要工艺方法。当脉冲激光束作用到置于反应室中的靶材表面，靶材被瞬间(＜10^-3s)加热到气化温度以上，发生高温光热化学反应，瞬时完成粒子成核长大，快凝成为纳米粉体。这是一个从固态到气态的直接相变过程，有利于制备平衡态下得不到的新相。所制备纳米粉体粒径均匀，可小于10nm，纯度高，无烧结性团聚。该过程中，激光主要作用于固-气界面，随着对材料性能的新要求，采用激光烧蚀液-固界面的尝试也已开始

离子注入技术的应用

提高

耐磨性

基材

铍合金

铜合金

钛合金

工具钢

锆合金

高合金钢

低合金钢

不锈钢

轴承钢

超合金

离子

B

B、N、P

N、C、B

N

C、N、Cr+C

Ta、Ti+C

N

N

Ti+C

Y、C、N

改善摩

擦性能

基材

钛合金

高合金钢

低合金钢

不锈钢

改善疲

劳性能

基材

钛合金

高合金钢

低合金钢

离子

Sn、Ag

Sn、Ag、

Au、Mo+S

Sn

C+Ti

离子

N、C、Ba

N、Mn、C、

B、Ni

Ni、Ti

提高

硬度

基材

铝合金

铍合金

钛合金

锆合金

高合金钢

低合金钢

高速钢

烧结陶瓷

铜合金

离子

N

B

N、C、B

C、B

Ti+C

N

N、B

Y、N、Zr、Cr

B、C、N、P

改善耐

蚀性能

基材

铝合金

铜合金

锆合金

高合

金钢

低合金钢

超合金

纯铜

医用合金

离子

Mo

Cr、Al

Cr、Sn

Cr、Ta

、Y

Cr、Ta

N、C、Y、Ce

N

N

改善催

化性能

基材

金属材

料陶瓷

消除氢脆

基材

钢

更易形成

氮化物

基材

铜、铅

改变

光学性能

基材

玻璃、

人造材料

离子

Pt、Mo、

Pd

离子

Pt、Pd

离子

Ti、Mo

离子

Nb、Ti、Mo、

Zr、Y

应用在表面工程中的注入技术主要是简单离子束注入及其后续加工所采用的反冲注入该技术中，氮离子注入在工业范围内占主要优势，主要应用于切削及成形工具中，较少应用在机械零部件中。它可使工具的寿命提高2～10倍(见表激光表面处理和离子注入技术应用实例)

目前，在工业范围内，较为成熟的技术是锌、硅、碳等注入金属，在不久的将来，可用于实际的有硼、钛、锶、钇及其他金属元素的注入技术，以及不同元素的混合注入技术，如Ti+C、N+O、Mo+S、Cr+C

电子束表面强化技术的应用

电子束无论是脉冲式还是连续式，均可用于加工不同表面粗糙度(但不超过R_a40μm)及形状的零件，以及加工零件的不同部分，但应使被加工面与电子束垂直，最好是长且平整的表面或旋转对称面(见图b)，若偏差不超过一定程度，不与之垂直的表面也是可行的(见图c)。电子束加工的优点：能加工通常方法不能加工的表面，利用计算机控制可精确调整加热参数，消除变形，无污染，可加工精加工后的磨制表面，易实现自动化及在公差允许范围内的高度精加工，高效率、低能耗(效率达80%～90%)，不需冷却剂，加工过程有高度可重复性。其加工质量可与激光技术相媲美

电子束除了可以获得比传统强化工艺更高的硬度，还可以对一个选择的点精确地进行加热，这个点可以是非常小的尺寸，而且仅在被处理材料上很小的区域或微观区域里，可以保持非常小的硬化层厚度差，并且具有较小的淬火应力。电子束强化方法可使硬化后的材料尺寸不变，这一优点，使该工艺得到广泛应用

在电子束加工前，零件需进行消磁处理。一般非重熔加工不需要后续加工，但在有重熔发生的情况下，通常需要后续处理来使已加工表面达到合适的表面粗糙度。电子束完成硬化过程需要使用几千瓦到几十千瓦的加热器

电子束硬化的典型零件是汽车和农用机械的零部件、机械工具部件、滚珠轴承，例如大尺寸活塞环、联轴器、齿轮、曲轴、凸轮连杆、凸轮、轮缘、摇臂、环、涡轮叶片、模具切割边、铣削工具、车削刀具、钻具等

1—硬化层；2—工件；3—电子束；4—电子枪

电子束表面

相变强化处理

用散焦方式的电子束轰击金属工件表面，控制加热速度为10³～10⁵℃/s，使金属表面加热到相变点以上，随后高速冷却(冷却速度达737×10⁵～737×10⁷℃/s)产生马氏体等相变强化。此方法适用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理

电子束

表面重熔处理

利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化并快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳配合。对某些合金，电子束表面重熔可使各组成相间的化学元素重新分布，降低某些元素的显微偏析程度，改善工件表面的性能。目前，电子束表面重熔主要用于工模具的表面处理上，以便在保持或改善工模具韧性的同时，提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性

应用表面重熔技术，可使工具钢的硬度及耐磨性提高3倍，使冷作模具的使用寿命提高25～3倍；使车削刀具的使用寿命提高80%～90%，使共晶或过共晶铝合金的显微硬度提高30%～50%

由于电子束表面重熔是在真空条件下进行的，表面重熔时有利于去除工件表层的气体，因此可有效地提高铝合金和钛合金表面处理质量

电子束表面

合金化处理

先将具有特殊性能的合金粉末涂敷在金属表面上，再用电子束轰击加热熔化，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，在工件表面上形成一层新的具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的合金表层。电子束表面合金化所需电子束功率密度约为电子束表面相变强化的3倍以上，或增加电子束辐照时间，使基体表层的一定深度内发生熔化

此外，电子束表面非晶化处理目前还处在研究阶段。电子束覆层、电子束蒸镀及电子束溅射也在不断发展和应用