高能束金屬材料表面處理技術(shù)探討范文

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高能束表面處理是指采用激光束、電子束和離子束等高密度能量源，照射或注入材料表面，使材料表層成分、組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變材料的物理、化學與力學等性能的一項先進制造技術(shù)[1]。高能束表面處理的共同點是：能源的能量密度特別高，采用非接觸式加熱，熱影響區(qū)小，對工件基材的性能及尺寸影響小，工藝可控性強，便于實現(xiàn)計算機控制。近年來，隨著材料表面性能要求的進一步提高、人們對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展意識逐步加強，高能束表面處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊。

1高能束材料表面處理技術(shù)的類型、物理機制及應(yīng)用

1.1高功率脈沖激光束表面處理技術(shù)激光與材料的相互作用過程機理是：光束輻照至工件材料表面，材料吸收光子能量而轉(zhuǎn)化為熱量，表層溫度升高并向內(nèi)部傳熱；材料表層吸收激光能量，溫度升高至相變點以上發(fā)生固態(tài)相變，此加工工藝即為激光表面淬火；材料的溫度繼續(xù)升高至熔點以上，材料熔化并形成熔池，涉及到主要工藝為激光熔融、激光熔覆和激光表面合金化等,繼續(xù)升溫至氣化點以上，形成等離子體現(xiàn)象。利用等離子體的反沖效應(yīng)，可對材料進行沖擊硬化處理。當材料在不同加熱溫度下被冷卻，將出現(xiàn)晶粒細化、相變硬化等現(xiàn)象。激光清洗作為一種較為成熟的應(yīng)用較為廣泛的表面處理技術(shù)，其應(yīng)用包括激光表面淬火、激光熔融、激光熔覆和激光表面合金化等方面。其清洗效果受激光束波長的影響，波長越短，能量密度越高，其清洗力就越大，潔凈度就越高。當高于能量密度閾值時，隨脈沖次數(shù)增多，潔凈度提高；如清洗波長透明的物體，從背面照射其潔凈度高于正面照射；不同污染物質(zhì)和基體材料的合理清洗工藝參數(shù)差異較大[2]。

1.2電子束表面處理技術(shù)電子束表面處理技術(shù)是利用電子束轟擊材料表面，使其溫度升高并發(fā)生成分、組織結(jié)構(gòu)等變化，從而達到所需性能的工藝方法。常用的電子束表面處理工藝有電子束表面淬火、電子束表面熔融、電子束表面合金化和電子束表面熔覆等。電子束表面處理技術(shù)的應(yīng)用范圍與激光表面處理技術(shù)基本相同，但受設(shè)備、加工條件等多種因素的制約，電子束表面處理技術(shù)的應(yīng)用遠不及激光表面處理技術(shù)應(yīng)用廣泛。凝汽式汽輪機2Cr13鋼制末級葉片，在高速旋轉(zhuǎn)且待沖蝕的條件下工作，對耐磨性、疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕的能力要求極高。采用電子束表面淬火處理，在葉片進汽邊緣的側(cè)面和背弧面形成0.5～1.0mm的淬硬層。采用這種工藝處理，葉片變形極小，表面殘余應(yīng)力增加，疲勞壽命提高2.6～3.0倍[1]。

1.3傳統(tǒng)的離子注入技術(shù)離子注入是將原子離子化后，在電場中獲得高能量，強行注入材料表面層，從而改變材料表面成分與性能的方法。荷能離子入射到材料表面時與材料中原子和電子發(fā)生一系列碰撞，與原子的碰撞是彈性碰撞，而與電子的碰撞是非彈性碰撞。荷能離子每經(jīng)過一次碰撞就將部分能量傳遞給原子或電子，同時減少離子自身能量，直到能量耗盡，入射離子在材料中停留下來，帶來一系列性能變化，實現(xiàn)材料表面改處理的目的。對金屬材料而言，離子注入主要是為了降低摩擦系數(shù)，提高表面的耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗沖擊、耐熱疲勞等性能。在材料表面處理方面，離子注入目前主要用于工具、模具、精密零件及特殊零件，注入的離子種類較多，但以氮離子注入為主。離子注入技術(shù)在微電子工業(yè)中具有重要地位，已成為現(xiàn)代微電子技術(shù)的基礎(chǔ)；同時在微波、激光和紅外集成元件與電路中也廣泛應(yīng)用[1]。

1.4強流脈沖離子束表面處理技術(shù)強流脈沖離子束(highintensitypulsedionionbeam簡稱HIPIB)產(chǎn)生于20世紀70年代末，80年代初得以發(fā)展，源于慣性約束核聚變(InterConfinementFusion-ICF)與高能密度物理研究。加速能量在100keV、脈沖功率密度為107-8W/cm2的強脈沖離子束的單脈沖離子數(shù)只有約1013cm-2。因此，HIPIB輻照材料表面處理起作用的主要是其能量效應(yīng)，摻雜效應(yīng)可忽略。輻照材料表面將其在時空上高度壓縮的能量瞬間迅速沉積，導致材料表面迅速升溫(～1011K/s)，導致表面熔融、氣化甚至燒蝕。脈沖過后，材料表面與體內(nèi)溫度產(chǎn)生巨大的溫度梯度(～109K/m)，導致快速的熱傳導(～1010K/s)，整個溫度變化的過程歷經(jīng)幾微秒，這就是所謂的“閃光”加熱及淬火。這會導致材料表面熱應(yīng)力的巨大變化，在靶材中傳播以致形成應(yīng)力波甚至沖擊波等一系列非平衡態(tài)過程，而HIPIB輻照材料表面處理的物理機制恰在于此。

2HIPIB材料表面處理技術(shù)的優(yōu)勢所在

作為新興的材料表面處理技術(shù)的強流脈沖離子束技術(shù)不僅能發(fā)揮與離子注入、高功率脈沖激光束和電子束等表面處理方式相似的功能，而且在某些應(yīng)用場合具有自身的優(yōu)勢。

2.1HIPIB輻照與激光束和電子束比較之優(yōu)勢由離子在材料中的射程分布可知，離子對所沉積的能量的利用率較高，HIPIB輻照材料表面其能量在材料表層內(nèi)的沉積分布要比激光束和電子束均勻，表面熱處理層的質(zhì)量更好評判。圖1給出了強流脈沖離子束、高功率脈沖激光束和電子束在同種材料表面的不同能量沉積分布特性。HIPIB輻照在材料表面的能量沉積深度通過改變離子種類和能量易于靈活調(diào)節(jié)，以獲得所需的加熱量和厚度，但這對于激光束和電子束來講難度較大。HIPIB在進行脈沖能量輻照的同時，可通過選取合適離子引入外來原子摻雜效應(yīng)，實現(xiàn)元素注入與熱處理一步完成，而激光束和電子束卻不可實現(xiàn)。HIPIB輻照過程中離子與靶材表面的能量耦合率高，幾乎達100%，并且不受材料表面光學特性的影響，無論對金屬材料、半導體和絕緣體都適用；而激光束與材料表面的能量耦合首先要受到靶材表面反射的影響，尤其是對金屬材料。另外，激光束在材料表面產(chǎn)生的等離子體對激光能量會有吸收作用，同樣會影響激光束的能量在靶材內(nèi)的沉積。HIPIB束斑面積較大(10～100cm2)，可處理較大面積的材料表面，而激光束和電子束適合較小的區(qū)域的精細加工。HIPIB從電能到束流能量的轉(zhuǎn)化效率一般來說要比同類應(yīng)用中的激光束的轉(zhuǎn)化效率要高，可達20%～40%，而受激準分子激光束只有約1%左右。此外，HIPIB裝置較為耐用，價格不是很昂貴。

2.2IPIB輻照與傳統(tǒng)離子注入的比較傳統(tǒng)的連續(xù)離子注入主要是利用外來離子的摻雜及合金化效應(yīng)，因此，所注入外來離子的種類、能量及其劑量是影響表面處理效果的主要因素。一般來說，需要高劑量的特定離子種類才能達到較好處理目的；而HIPIB輻照則可通過較低劑量的離子束，借助其脈沖能量效應(yīng)達到較好的表面處理目的。從離子射程方面來看，傳統(tǒng)的離子注入改性層較淺，與離子射程相當；而HIPIB輻照在足夠能量密度下，受其熱應(yīng)力的影響，改性區(qū)深度可達離子射程的幾十甚至上百倍。傳統(tǒng)離子注入時需采用適當?shù)睦鋮s手段，否則熱傳導則可能對靶材內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響；而HIPIB輻照在約為幾十納秒的瞬間完成，對表面進行局部熱處理的同時不影響靶體內(nèi)部性能。HIPIB輻照材料表面處理成本相對較低，但卻對HIPIB裝置束參數(shù)的可控性及運行穩(wěn)定性要求較高。鑒于HIPIB技術(shù)的優(yōu)勢，國內(nèi)外科研工作者對其應(yīng)用于材料表面處理方面也進行了大量的理論和實驗研究。有研究從表面形貌解釋、相變、硬度、耐磨和耐腐蝕、束流密度對實驗的影響、數(shù)值模擬等多方面綜述了強流脈沖離子束技術(shù)在金屬材料表面改性方面研究的成果及對其作用機理的解釋，同時也指出了該技術(shù)今后研究的方向及趨勢。張罡等[7]指出：影響HIPIB技術(shù)實際應(yīng)用的重要因素最重要的應(yīng)用問題還是設(shè)備的工藝參數(shù)穩(wěn)定性、處理面積、效率成本比的提高以及適合大型零部件處理的設(shè)備研制等；目前國內(nèi)實際使用的設(shè)備數(shù)量很少，并且以研究目的為主，僅僅適合小型零件的處理。因此，提高設(shè)備研制能力尤為重要，如盡快開展外部絕緣式碳離子加速器的研制等。

3結(jié)語

高能束材料表面處理技術(shù)與金屬材料交互作用的機理和特點存在共同之處，但彼此又各有技術(shù)本身的特點。通過比較發(fā)現(xiàn)強流脈沖離子束金屬材料表面處理的優(yōu)勢所在。HIPIB處理金屬材料是一個新的具有廣闊應(yīng)用前景的方向，它克服了連續(xù)離子注入和脈沖激光改性工藝推廣應(yīng)用的一些原則性困難，具有重要的研究應(yīng)用價值。

作者：李明娟 劉偉波 單位：濱州學院 飛行學院 濱州學院 光電工程系