n由高密度光子、电子、离子组成的激光束、电子束、 离子束有一个共同的特点，那就是通过特定装置可以 聚焦到很小甚至非常微细的尺寸，形成极高能量密度 的粒子束即高能束。将高能束作用于材料表面，可以 在极短的时间内以极快的速度使材料基体表面特性发 生改变。也可以作为微细加工技术，在材料表面形成 各种图案和形状，获得各种特殊的功能。因此，高能 束在材料表面改性和微细加工领域中得到了广泛的应 用。第十一章 高能束表面改性技术一、激光束表面改性的原理1、激光及其特性n（1）激光产生的原理n激光（Laser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），含义为“ 由辐射受激发射产生的光放大”。n光与物质相互作用的规律是构成激光器的理论 基础。第一节 激光束表面改性技术n原子的能级分布n原子由位于中心的带 正电的原子核和环绕 核的电子组成，电子 分布在原子内的多层 轨道上运动。n当由于某种原因电子 在原子中的运动从一 个轨道跃迁到另一个 轨道上时，电子的能 量发生变化，同时反 映为整个原子的能量 变化。激 发 能 级基能 级n热平衡温度下，原子数按能级的分布服从玻 耳兹曼定律，即 N：相应能级上的粒子数 T：绝对温度 k：玻耳兹曼常数n自发辐射与受激辐射n处于激发态的原子是不稳定的，总是力图向低能级跃 迁。n原子从高能级跃迁到低能级上，要释放出多余的能量 。释放能量的形式有两种。一种是变为热运动，称为 无辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射，叫做辐射跃 迁。n从E2能级跃迁到E1上时，所辐射出光子的频率v21为n如果原子的辐射跃迁都是自发独立进行的，辐射出来 的光子在发射方向、初始位相都是任意的，这种辐射 称为自发辐射。h：普朗克常数（ 6.6310-34Js）n如果处于高能级E2的原子，当有光子趋近它时，而且 光的频率是v21时，此原子则可在外来光子的激发下， 从高能级E2跃迁到低能级E1上去，并发射出一个同样 的光子。这样原子的一个光子变成了两个光子，这个 过程称为受激辐射。n受激辐射产生的光子与入射光子的性质状态完全相同 ，即频率、位相和传播方向均相同。由于这一特性， 受激辐射光与入射光相干迭加，产生光的放大作用。n粒子数反转n受激辐射的强弱取决于处于高能级上的原子数，只有 在受激辐射占优势时才能发射出激光。n正常状态下物质中处于低能级上的原子数总大于高能 级上的原子数。只有当高能级的原子数多于低能级的 原子数时才能满足受激辐射占优势的条件，这种状态 称为粒子数反转。n要达到粒子数反转状态，可以利用激励源，把处于低 能级上的原子激发到高能级上去。n工作物质不同，激励方法不同，最常用的是光学和电 学方法。工作原理：当工作物质受到外界激发产生辐射时，其传播方 向与腔体轴向相同的光子将引起其他激发态的工作物质产 生连锁性的受激辐射，在到达部分反射镜时放出一部分光 子，其他大部分仍反射回来，进行反馈，从而形成光振荡 ，并不断从部分反射镜的输出端发射出光子成为激光束。n光学谐振腔n为了获得激光束，还需要一个光学谐振腔，对激光进行 振荡。n最简单的光学谐振腔由放置在工作物质两侧的平面反射 镜组成。这两个反射镜严格平行，其中一个是反射率为 100%的全反射镜，另一个是反射率为50%90%的部分 反射镜。n（2）激光的特性n与普通光相比，激光具有高度的单色性、方向 性、亮度性、相干性和极大的能量密度。对金 属材料表面改性而言，激光是一种聚焦性好、 功率密度高、易于控制、能在大气中远距离传 输的热源。2、激光束与材料表面的交互作用n激光束辐射到材料表面时，与材料间的相互作用根据 辐射密度与持续时间分为以下几个阶段：n激光照射到材料表面；n激光被材料吸收变为热能；n表层材料受热升温；n发生固态转变，熔化甚至蒸发；n材料在激光作用后冷却。n当激光辐射的功率密度与持续时间不变时，上述过程 的进展取决于被处理材料的特性，如材料的反射率、 密度、导热系数、固态相变温度、熔化温度、蒸发温 度、熔化比热容与蒸发比热容等。二、激光束表面改性的设备n激光束表面改性设备主要包括激光器、外围光 学装置、机械系统和辅助系统等。 1、激光器n应用最多的工业激光器主要有三类：二氧化碳 激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器和 准分子激光器。（1）CO2气体激光器n组成系统：气体激光器主要由工作物质、光学谐振腔 、风机、热交换器、电源、真空泵等几部分组成。n基本原理：CO2气体激光器以CO2气体作为放电介质 ，在直流高压下，大量CO2气体分子获得能量后，激 发、跃迁到高能态，并使处于高能态的粒子数多于基 态的粒子数，然后，高能态粒子向低能级跃迁，发射 光子，经谐振腔振荡放大后，输出激光束。n主要特点：高功率、高转化率、高光束质量。（2）掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器n组成系统：掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器为固体激 光器，由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、 冷却滤光及激光电源等几部分组成。n基本原理：以掺钕的钇铝石榴石为工作物质，泵浦源 经电触发后输出高能量，为工作物质中的粒子数反转 提供光能。聚光腔再将光能有效、均匀地会聚到工作 物质上，产生高功率激光。n主要特点：结构紧凑、体积小、重量轻、使用简便可 靠、寿命长、维修要求较低。（3）准分子激光器n主要类型：准分子激光器也是一种气体激光器，依据 工作物质的不同，可分为四大类型：稀有气体类（ Xe2、Kr2）、稀有气体氧化物类（XeO）、稀有气体 卤化物类（XeF、KrF）、金属蒸气卤化物类。n基本原理：“准分子”是指在激发态能够暂时结合成不 稳定分子，而在基态又迅速离解成原子的缔合物。准 分子激光波长短，只有YAG激光波长的1/5和CO2激 光波长的1/50；单光子能量高达7.9eV，比大部分分子 的化学能要高，可以直接“切断”分子间的化学键来实 现加工。n主要特点：输出波长短，单光子能量高，重复性好， 波长可调谐运转；但是工作物质有毒，成本较高。2、外围光学装置n在激光工艺装置中，外围光学系统主要包括聚焦和观 察两部分，将高功率密度的激光束准确地照射到被处 理部位，并且严格控制处理过程。依靠聚焦的、反射 的和折射的光学元件，可使光束在离激光器的一定距 离，从任何角度集中于被处理零件上。 3、机械系统n是指用来执行激光束对零件表面进行扫描的机构及控 制装备。可由三种方式来完成：光束不动，工件受 传动装置驱动，使其受激光束照射加热并强化；零 件不动，光束按要求规律移动来完成；由光束及零 件同时按要求规律移动来完成。 4、辅助系统n主要包括遮光装置、喷气排气装置、冷却水加温装置 、屏蔽装置、功率监控装置等。三、激光束表面改性的特点和种类1、激光束表面改性的特点n激光束表面改性的特点，根据方法不同各有独到之处 ，其共性为：n优点：n激光功率密度大，用激光束强化金属加热速度快（ 105109/s），基体自冷速度高（104/s）；n输入热量少，工件处理后的热变形很小；n可以局部加热，只加热必要部分；n加工不受外界磁场的影响；n能精确控制加工条件，可以实现在线加工，也易于 实现自动化操作。n缺点：对反射率高的材料要进行防反射处理；不适宜 一次进行大面积处理；激光本身是转换效率低的能源 ；相关设备价格比较昂贵；技术尚不很成熟。 2、激光束表面改性的种类n根据其改变基材成分与否，可分成两大类：不改变基 材表面成分（包括激光淬火、激光退火、激光极化、 激光冲击硬化、激光清洗等）与改变基材表面成分（ 包括激光熔覆、激光合金化、激光诱导液相沉积、激 光气相沉积、激光增强电镀等）。n根据激光与材料表面作用时的功率密度、作用时间及 方式不同，可分为三大类：激光淬火、激光熔融（包 括激光熔化-凝固处理、激光表面合金化和激光表面 熔覆等）与激光表面冲击。（1）激光熔覆n定义n激光熔覆技术是指用激光将按需要配制的合金粉末熔 化，成为熔覆层的主体合金，同时基体金属有一薄层 熔化，与之构成冶金结合的一种表面处理技术。n工艺方法n激光熔覆工艺依据材料的添加方式的不同，可分为预 置涂层法和同步送料法两种工艺方法。n所谓预置涂层法是指先采用某种方式（如粘结剂预涂 覆、火焰喷涂、电镀等）在基材表面预置一层金属或 合金，然后用激光使其熔化，获得与基材冶金结合的 熔覆层。n所谓同步送料法是指在激光束照射基材的同时，将待 熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝后形成熔覆 层的工艺过程。n材料n熔覆材料：镍基合金、铁基合金、钴基合金、铜基合 金及其与碳化物组成的金属陶瓷复合粉末，Al2O3、 ZrO2等陶瓷材料。n基材：钢铁、铝合金、铜合金、镍合金、钛合金等。n优点n合金层和基体可以形成冶金结合，极大地提高了熔覆 层与底材的结合强度；由于加热速度很快，涂层元素 不易被基体稀释；由于热变形较小，因而引起的的零 件报废率很低；对环境无污染，无辐射，低噪声，劳 动条件得到改善。（2）激光表面合金化n激光合金化是用激光将基体表面熔化，同时加入合金 元素，在以基体为溶剂、合金元素为溶质的基础上构 成所需合金层的一种技术。n激光合金化技术与激光熔覆技术类似，也是用高能激 光束，以预置涂层法或同步送料法，将其它元素的物 质熔入基材表面。两者的优点也类似。n不同之处在于：激光熔覆层的性能主要决定于熔覆材 料自身的性能，而激光合金化由于有大量基材的熔入 ，与添加的合金元素混合，共同决定表面合金化层的 性质。此外，激光合金化要求基材的熔化程度很高， 故所需的能量密度比激光熔覆的大得多。n（3）激光颗粒注入n激光颗粒注入是在工件表面形成激光熔池的同 时，以足够的速度向熔池注入颗粒材料，使颗 粒与基体原位形成金属基-颗粒复合表面层的 技术。n激光颗粒注入与激光合金化的不同在于作为第 二相的颗粒材料，与基体混合但并不熔化。如 果第二相为硬度颗粒，则注入层可用作耐磨材 料。n激光颗粒注入的例子有：铝青铜/TiC、Ti-6Al- 4V/TiC、Ti-6Al-4V/WC、304不锈钢/TiC等。n（4）激光表面非晶化n激光表面非晶化是利用激光快速加热和快速冷却的特 点加热材料表面使其熔化，并以大于一定临界冷却速 度急冷至低于某一特征温度，以抑制晶体形核和生长 ，从而获得非晶材料的技术。n非晶材料具有晶体材料无与伦比的优越性。表面非晶 态合金具有很高的耐磨性能，同时具有特殊的电学、 磁学和化学性能。n激光表面非晶化技术可采用脉冲激光或连续激光来实 现。两者形成非晶的原理是相同的，只是所采用的激 光器不同而已，脉冲激光非晶化常用YAG激光器，而 连续激光非晶化则常用CO2激光器。n激光表面非晶化的原理：当短甚至超短激光脉冲（10-610-15s）或连续激光作用在金属表面时，超快速加热金属表面，将在106W/cm2，扫描速度110m/s。n（5）激光冲击硬化n激光冲击硬化主要是利用强激光与材料表面相互作用 产生的力学效应强应力波来改善材料的性能。n当激光功率密度为109W/cm2 ，脉冲持续时间为2040ns 时，激光使材料表面薄层迅速汽化，在表面原子逸出 期间发生动量脉冲，产生冲击波。冲击波产生的压力 幅值大约为104Pa，它足以使金属产生强烈的塑性变 形，使激光冲击区的显微组织呈现位错的缠结网络。 这种结构能明显提高材料表面硬度、屈服强调及疲劳 寿命等。n激光冲击硬化可有效强化钢、铝、钛、镍等金属材料 。（6）激光诱导化学反应沉积n根据参与化学反应物质的形态差别，可将激光诱导化学反 应沉积技术分为激光诱导化学气相反应沉积技术、激光诱 导液相反应沉积技术与激光诱导固相反应技术三种。 激光诱导气相反应沉积技术（LICVD或LCVD）n该技术是先将基片预置于充满活性气体的反应室中，然后 采用激光束照射基板，诱导化学反应发生并沉积出薄膜的 过程。当激光束沿着一定的轨迹扫描运动时，即可获得一 定图形的沉积膜。而且可在绝缘材料基片表面直接制备导 电线路，故又被称为激光直写