表面改性技术教师：赵宇龙学院：材料学院材料科学与工程学院表面改性技术课程大纲绪论1
表面基础理论2
薄膜技术7
复合表面技术8
表面前处理3
电镀化学镀4
表面微细加工9
纳米表面工程10
表面涂敷技术5 表面分析测试11
表面改性技术6
材料科学与工程学院表面改性技术第六章 表面改性技术
3,电子束表面处理技术
2,激光束表面处理技术
1,概述
4,离子束表面处理技术材料科学与工程学院表面改性技术6.1 概述
1.表面工程的定义
表面改性技术,运用现代技术改变表面、亚表面的成分、结构和性能的处理技术。
表面形变强化表面相变强化金属表面扩渗激光束表面处理电子束表面处理离子注入技术材料科学与工程学院表面改性技术6.2 激光束表面处理技术
激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。
激光照射到材料表面表层材料受热升温激光作用后冷却激光被吸收变为热能固态相变 /熔化 /蒸发材料科学与工程学院表面改性技术加热速度快,105-109℃ /S
自冷速度高,＞ 104 ℃ /S
输入功率小，工件变形小可局部加热精确控制：线加工自动化但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。
波长越短，吸收率高越粗糙度，越易吸收温度升高、吸收越多：熔点 40-50%，沸点 90%
杂质影响吸收黑化处理：碳素 /磷化 /油漆材料科学与工程学院表面改性技术激光非晶化：急冷激光电镀：阴极加热激光物理气相沉积激光化学气相沉积材料科学与工程学院表面改性技术
激光相变硬化：在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。
加热和冷却速度高,105～ 109℃ /S
高硬度：比常规淬火提高 15%～ 20%
变形小：加热层薄 疲劳强度高材料科学与工程学院表面改性技术编号 零件名称 材 料 优点或效果
1 锭杆 GCr15 硬化区深 0.94mm，峰值硬度 980HV0.1,相对耐磨性提高 10倍
2 成形刀 高速钢 刀具耐用度提高 2.5～ 3.5倍，切削速度提高7～ 8倍
3 气缸套 铸铁 比硼缸套寿命高 25％，与活塞环配制寿命提高 30％
4
精密仪器 V型导轨
45钢 较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品率高材料科学与工程学院表面改性技术轴毂激光表面淬火 大型浸没辊大型齿轮 滚道辊材料科学与工程学院表面改性技术铸铁缸套内壁齿圈硬化层深材料科学与工程学院表面改性技术激光表面熔凝处理：利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术。
细化铸造晶粒过饱和固溶体减少偏析非晶体改变表层结构材料科学与工程学院表面改性技术激光熔化淬火处理后的 ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的
1/10，硬度可提高 30%左右。
AA390铝合金，处理前合金组织中镶有 60μm大的 Si颗粒，处理后硅的颗粒变为 1～ 4μm。
铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松，
用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时把表面层细化。
材料科学与工程学院表面改性技术切割石材锯片，走 S线激光熔凝轧辊硬度显著提高材料科学与工程学院表面改性技术非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗磨损性能。
激光扫描处理 Fe－ P－ Si合金得到的非晶态硬化层的硬度是基体硬度的 5～ 6倍。
航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少
50%。
材料科学与工程学院表面改性技术激光表面合金化：利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化，在很短的时间内，形成不同化学成分和结构的表面合金。可获得理想合金或亚稳态合金。
区域合金化有效利用能量精确控制密度和深度不规则零件合金材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术过钢量 1.5-2倍，寿命增加材料科学与工程学院表面改性技术激光表面熔覆：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，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。基体溶化少材料科学与工程学院表面改性技术熔覆在修复方向比较有优势：电机转子材料科学与工程学院表面改性技术搅拌桨 煤机齿轮轴材料科学与工程学院表面改性技术激光表面冲击硬化：以 高功率密度的脉冲激光在极短的时间内照射金属表面，使表面金属剧烈气化，产生了强的机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。 10GPa，压应力用激光冲击波对飞机结构中的紧固件进行处理，
其紧固件的高频疲劳寿命，处理后比处理前要延长 100倍材料科学与工程学院表面改性技术激光电镀：激光可以提高金属的沉积速度，同等面积可使金属的电沉积速度提高三个数量级以上。
温度升高，搅拌作用！
材料科学与工程学院表面改性技术6.3 电子束表面处理技术
电子束表面处理：利用电子束加热，通过改变材料表层的组织结构或化学成分，达到提高其性能的表面改性技术。
加热和冷却速度快成本低功率高 150KW-15KW 结构简单，磁控反射低，无须黑化但电子束需真空操作，不氧化但成本高，有 x射线熔化层厚度大，液相温度低，温度梯度小材料科学与工程学院表面改性技术灯丝发射电子高速电场电子加速，
加速电压决定能量，
可达光束 2/3
磁场控制电子束聚焦材料科学与工程学院表面改性技术
75%吸收热能
25%背散射
X射线、二次电子、热电子均小于 1%
电子和原子核弹性碰撞，电子与材料电子材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术电子束表面淬火：用电子束将金属材料高速加热到奥氏体转变温度以上，然后急骤冷却产生马氏体等相变强化
，自淬火，极细晶粒，耐腐蚀性好。
电子束表面合金化：将合金元素预涂敷在工件表面上
，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，在工件表面上形成与原材料的成分和组织完全不同的新的具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的表层。需要粉末粘结好。
材料科学与工程学院表面改性技术电子束表面非晶化：形成小液池，快速冷却获得非晶合金。
电子束表面熔凝：用高能量密度电子束轰击金属表面 !
使其熔化并快速凝固 !从而细化组织，特点是有真空脱气的效果，无黑化、保护气体。
电子束表面熔覆：将合金粉末预置在金属材料的表面，
由电子束加热熔化，使其与金属材料的表面形成一层新的合金层。
材料科学与工程学院表面改性技术6.4 离子注入表面处理技术
离子注入：将被注入元素的原子利用离子注入机电离成带正电荷的离子，经高压电场加速后高速轰击工件表面，使之注入工件表面一定深度的真空处理工艺。
注入及注入后温度可控表面粗糙度不改变 注入深度和分布可控可真空处理，不氧化可注入任何元素，不受固溶度的限制，互不共溶也可即可大范围也可区域 但设备贵，复杂零件不行材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术上世纪 60年代，单晶硅注入形成离子注入工艺。
上世纪 70年代，英国哈威尔原子能研究中心，研制出
N离子注入机。
上世纪 80年代以来，亚稳态合金、非晶金属贡献卓著材料科学与工程学院表面改性技术选择气体：如 BF3或汽化电离成等离子体分离 加速扫描材料科学与工程学院表面改性技术弹性碰撞 原子位移 级联碰撞 无序态材料科学与工程学院表面改性技术弹性碰撞原子位移级联碰撞无序态能量转移材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术硬度,C,N原子固溶于晶格间隙中，产生强烈的晶格畸变（固溶强化）；形成化合物形成弥散强化。
耐磨：杂质离子大量分布位错线周围，起钉扎作用；
表面高硬度析出物弥散强化；降低摩擦系数；磨损粒子降低摩擦。
抗疲劳：损伤缺陷阻碍位错移动；弥散强化、表面压应力阻碍裂纹扩展。
材料科学与工程学院表面改性技术抗氧化,注入元素晶界富集，阻碍氧元素扩散；形成致密的氧化物阻挡层，改善氧化物塑性，防止氧化膜开裂，阻止阳离子向外扩散。
耐腐蚀：致密氧化物，改变表面电学性能耐腐蚀。
材料科学与工程学院表面改性技术
GCr15钢 碳钛注入不锈钢非晶材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
NCr注入钛合金材料科学与工程学院表面改性技术
Fe-20Cr-25Ni
材料科学与工程学院表面改性技术离子注入工艺：注入成分、注入能量、注入剂量、束流强度、束流均匀性。
氮钛在铁和金中注入 铝材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术钛合金注入：注入 N，改善体液腐蚀和对超高分子量聚乙烯的耐磨性！
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表面基础理论2
薄膜技术7
复合表面技术8
表面前处理3
电镀化学镀4
表面微细加工9
纳米表面工程10
表面涂敷技术5 表面分析测试11
表面改性技术6
材料科学与工程学院表面改性技术第六章 表面改性技术
3,电子束表面处理技术
2,激光束表面处理技术
1,概述
4,离子束表面处理技术材料科学与工程学院表面改性技术6.1 概述
1.表面工程的定义
表面改性技术,运用现代技术改变表面、亚表面的成分、结构和性能的处理技术。
表面形变强化表面相变强化金属表面扩渗激光束表面处理电子束表面处理离子注入技术材料科学与工程学院表面改性技术6.2 激光束表面处理技术
激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。
激光照射到材料表面表层材料受热升温激光作用后冷却激光被吸收变为热能固态相变 /熔化 /蒸发材料科学与工程学院表面改性技术加热速度快,105-109℃ /S
自冷速度高,＞ 104 ℃ /S
输入功率小，工件变形小可局部加热精确控制：线加工自动化但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。
波长越短，吸收率高越粗糙度，越易吸收温度升高、吸收越多：熔点 40-50%，沸点 90%
杂质影响吸收黑化处理：碳素 /磷化 /油漆材料科学与工程学院表面改性技术激光非晶化：急冷激光电镀：阴极加热激光物理气相沉积激光化学气相沉积材料科学与工程学院表面改性技术
激光相变硬化：在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。
加热和冷却速度高,105～ 109℃ /S
高硬度：比常规淬火提高 15%～ 20%
变形小：加热层薄 疲劳强度高材料科学与工程学院表面改性技术编号 零件名称 材 料 优点或效果
1 锭杆 GCr15 硬化区深 0.94mm，峰值硬度 980HV0.1,相对耐磨性提高 10倍
2 成形刀 高速钢 刀具耐用度提高 2.5～ 3.5倍，切削速度提高7～ 8倍
3 气缸套 铸铁 比硼缸套寿命高 25％，与活塞环配制寿命提高 30％
4
精密仪器 V型导轨
45钢 较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品率高材料科学与工程学院表面改性技术轴毂激光表面淬火 大型浸没辊大型齿轮 滚道辊材料科学与工程学院表面改性技术铸铁缸套内壁齿圈硬化层深材料科学与工程学院表面改性技术激光表面熔凝处理：利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术。
细化铸造晶粒过饱和固溶体减少偏析非晶体改变表层结构材料科学与工程学院表面改性技术激光熔化淬火处理后的 ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的
1/10，硬度可提高 30%左右。
AA390铝合金，处理前合金组织中镶有 60μm大的 Si颗粒，处理后硅的颗粒变为 1～ 4μm。
铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松，
用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时把表面层细化。
材料科学与工程学院表面改性技术切割石材锯片，走 S线激光熔凝轧辊硬度显著提高材料科学与工程学院表面改性技术非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗磨损性能。
激光扫描处理 Fe－ P－ Si合金得到的非晶态硬化层的硬度是基体硬度的 5～ 6倍。
航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少
50%。
材料科学与工程学院表面改性技术激光表面合金化：利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化，在很短的时间内，形成不同化学成分和结构的表面合金。可获得理想合金或亚稳态合金。
区域合金化有效利用能量精确控制密度和深度不规则零件合金材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术过钢量 1.5-2倍，寿命增加材料科学与工程学院表面改性技术激光表面熔覆：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，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。基体溶化少材料科学与工程学院表面改性技术熔覆在修复方向比较有优势：电机转子材料科学与工程学院表面改性技术搅拌桨 煤机齿轮轴材料科学与工程学院表面改性技术激光表面冲击硬化：以 高功率密度的脉冲激光在极短的时间内照射金属表面，使表面金属剧烈气化，产生了强的机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。 10GPa，压应力用激光冲击波对飞机结构中的紧固件进行处理，
其紧固件的高频疲劳寿命，处理后比处理前要延长 100倍材料科学与工程学院表面改性技术激光电镀：激光可以提高金属的沉积速度，同等面积可使金属的电沉积速度提高三个数量级以上。
温度升高，搅拌作用！
材料科学与工程学院表面改性技术6.3 电子束表面处理技术
电子束表面处理：利用电子束加热，通过改变材料表层的组织结构或化学成分，达到提高其性能的表面改性技术。
加热和冷却速度快成本低功率高 150KW-15KW 结构简单，磁控反射低，无须黑化但电子束需真空操作，不氧化但成本高，有 x射线熔化层厚度大，液相温度低，温度梯度小材料科学与工程学院表面改性技术灯丝发射电子高速电场电子加速，
加速电压决定能量，
可达光束 2/3
磁场控制电子束聚焦材料科学与工程学院表面改性技术
75%吸收热能
25%背散射
X射线、二次电子、热电子均小于 1%
电子和原子核弹性碰撞，电子与材料电子材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术电子束表面淬火：用电子束将金属材料高速加热到奥氏体转变温度以上，然后急骤冷却产生马氏体等相变强化
，自淬火，极细晶粒，耐腐蚀性好。
电子束表面合金化：将合金元素预涂敷在工件表面上
，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，在工件表面上形成与原材料的成分和组织完全不同的新的具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的表层。需要粉末粘结好。
材料科学与工程学院表面改性技术电子束表面非晶化：形成小液池，快速冷却获得非晶合金。
电子束表面熔凝：用高能量密度电子束轰击金属表面 !
使其熔化并快速凝固 !从而细化组织，特点是有真空脱气的效果，无黑化、保护气体。
电子束表面熔覆：将合金粉末预置在金属材料的表面，
由电子束加热熔化，使其与金属材料的表面形成一层新的合金层。
材料科学与工程学院表面改性技术6.4 离子注入表面处理技术
离子注入：将被注入元素的原子利用离子注入机电离成带正电荷的离子，经高压电场加速后高速轰击工件表面，使之注入工件表面一定深度的真空处理工艺。
注入及注入后温度可控表面粗糙度不改变 注入深度和分布可控可真空处理，不氧化可注入任何元素，不受固溶度的限制，互不共溶也可即可大范围也可区域 但设备贵，复杂零件不行材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术上世纪 60年代，单晶硅注入形成离子注入工艺。
上世纪 70年代，英国哈威尔原子能研究中心，研制出
N离子注入机。
上世纪 80年代以来，亚稳态合金、非晶金属贡献卓著材料科学与工程学院表面改性技术选择气体：如 BF3或汽化电离成等离子体分离 加速扫描材料科学与工程学院表面改性技术弹性碰撞 原子位移 级联碰撞 无序态材料科学与工程学院表面改性技术弹性碰撞原子位移级联碰撞无序态能量转移材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术硬度,C,N原子固溶于晶格间隙中，产生强烈的晶格畸变（固溶强化）；形成化合物形成弥散强化。
耐磨：杂质离子大量分布位错线周围，起钉扎作用；
表面高硬度析出物弥散强化；降低摩擦系数；磨损粒子降低摩擦。
抗疲劳：损伤缺陷阻碍位错移动；弥散强化、表面压应力阻碍裂纹扩展。
材料科学与工程学院表面改性技术抗氧化,注入元素晶界富集，阻碍氧元素扩散；形成致密的氧化物阻挡层，改善氧化物塑性，防止氧化膜开裂，阻止阳离子向外扩散。
耐腐蚀：致密氧化物，改变表面电学性能耐腐蚀。
材料科学与工程学院表面改性技术
GCr15钢 碳钛注入不锈钢非晶材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术
NCr注入钛合金材料科学与工程学院表面改性技术
Fe-20Cr-25Ni
材料科学与工程学院表面改性技术离子注入工艺：注入成分、注入能量、注入剂量、束流强度、束流均匀性。
氮钛在铁和金中注入 铝材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院表面改性技术钛合金注入：注入 N，改善体液腐蚀和对超高分子量聚乙烯的耐磨性！
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