【教案】教案表面技术概论高能束流技术

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1、授课学时：2学时章节名称第10章高能束表面改性技术（2学时）备注教学目的通过本章学习，掌握激光、电子和等离子三束技术在表面技术和要求领域的应用及各自的特点。（1）激光表面改性技术重点（2）离子束表面改性技术；难点（3）电子束表面改性原理及特点1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析证明、分类举例（特别要分清“复合层次”，以免漏层）教学方法的方法突破难点。教学手段2、教学手段：以传统的口述，现代的多媒体，再加黑板为辅助的多种手段交叉进行教学。32高能束是指能量密度大于10W/cm的能量束，包括：离子束、激光束、

2、电子束高能束的特点可获得极高的加热和冷却速度加热速度极快，整个基体的温度可以不受影响采用高能束流进行表面改性主要包括：利用激光束、电于束可获得极高的加热和冷却速度，从而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、热平衡相图上不存在的高度过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋予材料表面以特殊的性能。利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层中进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制。教学进程设10.1激光表面改性技术计（含教学10.1.1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。内容、教学激光照射

3、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-固设计、时间态相变/熔化/蒸发分配等）精品学习资料可选择pdf第1页，共7页-----------------------（1）激光作用时间10-4s左右，聚焦功率密度在102W/mm2时，作用于金属表面，主要产生温升相变现象：用于激光相变硬化；（2）激光作用时间在10-3～1s之间，聚焦功率密度在102～104W/mm2的范围时，金属材料除了产生温升、熔化现象之外，主要是气化，用于熔化、焊接、合金化和熔敷。（3）激光作用时间在<10-6s，聚焦功率密度增加到1

4、09W/mm2时，除了产生上述现象外，金属内热压缩激波和金属表面上产生的骇波冲击效应成为主要现象，主要用于冲击硬化。10.1.2材料对激光吸收的基本特点①聚焦激光具有极高的功率密度492-3-6功率密度：10~10W/cm，交互作用时间:10～10s。325232感应加热：10W/cm；电子束加热max10W/cm；电火花加热max10W/cm。②热效应只集中在材料表面很薄的区域内<1μm·从0.25μm紫外到10.6μm红外波段，光波在各种金属中的穿透深度只达到10nm数量级对金属表面状况极为敏感③金属对激光吸收的微观机制是

5、光频电磁波与金属表面自由电子的相互作用<1μm·从0.25μm紫外到10.6μm红外波段，光波在各种金属中的穿透深度只达到10nm数量级对金属表面状况极为敏感③金属对激光吸收的微观机制是光频电磁波与金属表面自由电子的相互作用红外激光、光子能量低——只与自由电子作用；可见光与紫外光——还可与金属中的束缚电子作用。精品学习资料可选择pdf第2页，共7页-----------------------金属激光处理方法分类（1）激光束表面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

6、组织的一种工艺。激光相变硬化的特点功率密度高、加热快、冷却快、淬火组织细、硬度高（提高15～20％）；输入热量少、变形量极小、基本不破坏表面光洁度；经本体热传导冷却、无需冷却介质、冷却特性良好；选择性局部表面淬火，硬化层深度、范围可控，可处理内孔、沟槽等复杂形状部位。超快速加热使奥氏体形核率大大增加，奥氏体形成时间极短，晶粒来不及长大，因此奥氏体显著细化（必然带来随后快冷的淬火组织极为细化）。激光淬硬时，钢的微观组织中晶体缺陷和晶格畸变远高于普通淬火，从而也显著提高表层硬度。821012例如45钢，一般淬火，位错密度10条/c

7、m，激光淬火，位错密度10~10条2/cm。位错密度提高2~4个数量级，抵抗塑性变形能力加强，即反映为硬度提高。激光表面淬硬的根本机制是利用了快速加热奥氏体化及快冷的动力学特点，充分发挥了晶粒细化，固溶强化，弥散强化、相变硬化等强化机制的作用。表1激光束相变硬化实例精品学习资料可选择pdf第3页，共7页-----------------------(2)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

8、微观组织结构的一种表面改性技术激光熔凝处理后横截面组织示意图T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布激光熔凝强化机制一类是不发生组织的根本变化，仅仅是快速熔凝造成晶粒结构变化。普通碳钢：熔凝处理在结晶过程中，奥氏体从液固界面向表面快速生长，形成定向排列的柱状晶结构固态相变