高能束金属材料表面处理技术探讨范文

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高能束表面处理是指采用激光束、电子束和离子束等高密度能量源，照射或注入材料表面，使材料表层成分、组织及结构发生变化，从而改变材料的物理、化学与力学等性能的一项先进制造技术[1]。高能束表面处理的共同点是：能源的能量密度特别高，采用非接触式加热，热影响区小，对工件基材的性能及尺寸影响小，工艺可控性强，便于实现计算机控制。近年来，随着材料表面性能要求的进一步提高、人们对环保和可持续发展意识逐步加强，高能束表面处理技术的应用领域越来越广阔。

1高能束材料表面处理技术的类型、物理机制及应用

1.1高功率脉冲激光束表面处理技术激光与材料的相互作用过程机理是：光束辐照至工件材料表面，材料吸收光子能量而转化为热量，表层温度升高并向内部传热；材料表层吸收激光能量，温度升高至相变点以上发生固态相变，此加工工艺即为激光表面淬火；材料的温度继续升高至熔点以上，材料熔化并形成熔池，涉及到主要工艺为激光熔融、激光熔覆和激光表面合金化等,继续升温至气化点以上，形成等离子体现象。利用等离子体的反冲效应，可对材料进行冲击硬化处理。当材料在不同加热温度下被冷却，将出现晶粒细化、相变硬化等现象。激光清洗作为一种较为成熟的应用较为广泛的表面处理技术，其应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长的影响，波长越短，能量密度越高，其清洗力就越大，洁净度就越高。当高于能量密度阈值时，随脉冲次数增多，洁净度提高；如清洗波长透明的物体，从背面照射其洁净度高于正面照射；不同污染物质和基体材料的合理清洗工艺参数差异较大[2]。

1.2电子束表面处理技术电子束表面处理技术是利用电子束轰击材料表面，使其温度升高并发生成分、组织结构等变化，从而达到所需性能的工艺方法。常用的电子束表面处理工艺有电子束表面淬火、电子束表面熔融、电子束表面合金化和电子束表面熔覆等。电子束表面处理技术的应用范围与激光表面处理技术基本相同，但受设备、加工条件等多种因素的制约，电子束表面处理技术的应用远不及激光表面处理技术应用广泛。凝汽式汽轮机2Cr13钢制末级叶片，在高速旋转且待冲蚀的条件下工作，对耐磨性、疲劳强度和抗应力腐蚀的能力要求极高。采用电子束表面淬火处理，在叶片进汽边缘的侧面和背弧面形成0.5～1.0mm的淬硬层。采用这种工艺处理，叶片变形极小，表面残余应力增加，疲劳寿命提高2.6～3.0倍[1]。

1.3传统的离子注入技术离子注入是将原子离子化后，在电场中获得高能量，强行注入材料表面层，从而改变材料表面成分与性能的方法。荷能离子入射到材料表面时与材料中原子和电子发生一系列碰撞，与原子的碰撞是弹性碰撞，而与电子的碰撞是非弹性碰撞。荷能离子每经过一次碰撞就将部分能量传递给原子或电子，同时减少离子自身能量，直到能量耗尽，入射离子在材料中停留下来，带来一系列性能变化，实现材料表面改处理的目的。对金属材料而言，离子注入主要是为了降低摩擦系数，提高表面的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗冲击、耐热疲劳等性能。在材料表面处理方面，离子注入目前主要用于工具、模具、精密零件及特殊零件，注入的离子种类较多，但以氮离子注入为主。离子注入技术在微电子工业中具有重要地位，已成为现代微电子技术的基础；同时在微波、激光和红外集成元件与电路中也广泛应用[1]。

1.4强流脉冲离子束表面处理技术强流脉冲离子束(highintensitypulsedionionbeam简称HIPIB)产生于20世纪70年代末，80年代初得以发展，源于惯性约束核聚变(InterConfinementFusion-ICF)与高能密度物理研究。加速能量在100keV、脉冲功率密度为107-8W/cm2的强脉冲离子束的单脉冲离子数只有约1013cm-2。因此，HIPIB辐照材料表面处理起作用的主要是其能量效应，掺杂效应可忽略。辐照材料表面将其在时空上高度压缩的能量瞬间迅速沉积，导致材料表面迅速升温(～1011K/s)，导致表面熔融、气化甚至烧蚀。脉冲过后，材料表面与体内温度产生巨大的温度梯度(～109K/m)，导致快速的热传导(～1010K/s)，整个温度变化的过程历经几微秒，这就是所谓的“闪光”加热及淬火。这会导致材料表面热应力的巨大变化，在靶材中传播以致形成应力波甚至冲击波等一系列非平衡态过程，而HIPIB辐照材料表面处理的物理机制恰在于此。

2HIPIB材料表面处理技术的优势所在

作为新兴的材料表面处理技术的强流脉冲离子束技术不仅能发挥与离子注入、高功率脉冲激光束和电子束等表面处理方式相似的功能，而且在某些应用场合具有自身的优势。

2.1HIPIB辐照与激光束和电子束比较之优势由离子在材料中的射程分布可知，离子对所沉积的能量的利用率较高，HIPIB辐照材料表面其能量在材料表层内的沉积分布要比激光束和电子束均匀，表面热处理层的质量更好评判。图1给出了强流脉冲离子束、高功率脉冲激光束和电子束在同种材料表面的不同能量沉积分布特性。HIPIB辐照在材料表面的能量沉积深度通过改变离子种类和能量易于灵活调节，以获得所需的加热量和厚度，但这对于激光束和电子束来讲难度较大。HIPIB在进行脉冲能量辐照的同时，可通过选取合适离子引入外来原子掺杂效应，实现元素注入与热处理一步完成，而激光束和电子束却不可实现。HIPIB辐照过程中离子与靶材表面的能量耦合率高，几乎达100%，并且不受材料表面光学特性的影响，无论对金属材料、半导体和绝缘体都适用；而激光束与材料表面的能量耦合首先要受到靶材表面反射的影响，尤其是对金属材料。另外，激光束在材料表面产生的等离子体对激光能量会有吸收作用，同样会影响激光束的能量在靶材内的沉积。HIPIB束斑面积较大(10～100cm2)，可处理较大面积的材料表面，而激光束和电子束适合较小的区域的精细加工。HIPIB从电能到束流能量的转化效率一般来说要比同类应用中的激光束的转化效率要高，可达20%～40%，而受激准分子激光束只有约1%左右。此外，HIPIB装置较为耐用，价格不是很昂贵。

2.2IPIB辐照与传统离子注入的比较传统的连续离子注入主要是利用外来离子的掺杂及合金化效应，因此，所注入外来离子的种类、能量及其剂量是影响表面处理效果的主要因素。一般来说，需要高剂量的特定离子种类才能达到较好处理目的；而HIPIB辐照则可通过较低剂量的离子束，借助其脉冲能量效应达到较好的表面处理目的。从离子射程方面来看，传统的离子注入改性层较浅，与离子射程相当；而HIPIB辐照在足够能量密度下，受其热应力的影响，改性区深度可达离子射程的几十甚至上百倍。传统离子注入时需采用适当的冷却手段，否则热传导则可能对靶材内部结构和性能产生影响；而HIPIB辐照在约为几十纳秒的瞬间完成，对表面进行局部热处理的同时不影响靶体内部性能。HIPIB辐照材料表面处理成本相对较低，但却对HIPIB装置束参数的可控性及运行稳定性要求较高。鉴于HIPIB技术的优势，国内外科研工作者对其应用于材料表面处理方面也进行了大量的理论和实验研究。有研究从表面形貌解释、相变、硬度、耐磨和耐腐蚀、束流密度对实验的影响、数值模拟等多方面综述了强流脉冲离子束技术在金属材料表面改性方面研究的成果及对其作用机理的解释，同时也指出了该技术今后研究的方向及趋势。张罡等[7]指出：影响HIPIB技术实际应用的重要因素最重要的应用问题还是设备的工艺参数稳定性、处理面积、效率成本比的提高以及适合大型零部件处理的设备研制等；目前国内实际使用的设备数量很少，并且以研究目的为主，仅仅适合小型零件的处理。因此，提高设备研制能力尤为重要，如尽快开展外部绝缘式碳离子加速器的研制等。

3结语

高能束材料表面处理技术与金属材料交互作用的机理和特点存在共同之处，但彼此又各有技术本身的特点。通过比较发现强流脉冲离子束金属材料表面处理的优势所在。HIPIB处理金属材料是一个新的具有广阔应用前景的方向，它克服了连续离子注入和脉冲激光改性工艺推广应用的一些原则性困难，具有重要的研究应用价值。

作者：李明娟 刘伟波 单位：滨州学院 飞行学院 滨州学院 光电工程系