高能束金属材料表面处理技术的物理机制及应用

高能束金属材料表面处理技术的物理机制及应用

刘三虎

国营长虹机械厂 541003

摘要：随着科学技术的飞速发展，金属材料的表面处理方式趋于多样化。不同生产需求对于金属材料的表面要求有所不同，科研工作的不断深入需要使用性能更加卓越的设备，因此金属材料表面处理的要求越来越严苛。本文通过对比不同种类高能束材料表面处理的物理机制，研究不同种类处理方式的优势及其适用范围。

关键词：电子束；表面处理；机制

一、引言

    高能束表面处理是指通过使用激光束、电子束、离子束以及电火花等具有高密度的能量源对金属材料表面进行照射，使其发生物理、化学或相结构转变的处理方式。经过高能束表面处理之后的金属材料会发生改性，以适用于不同工作环境。另外，高能束表面处理方式具有非接触、工艺性强、便于计算机控制等特点，适用于很多高精密设备的生产与研发，大幅提升了 我国设备加工生产的能力。最后，高能束表面处理也遵守了环保与可持续发展的理念，因此其未来发展与应用范围将十分广阔。

二、高能束金属材料表面处理存在的问题

1. 加工条件苛刻

    高能束金属材料表面处理技术在加工过程当中需要根据具体使用的粒子类型选择合适的加工条件。以电子束表面处理技术为例，加工全程需要在真空的环境下进行，一旦加工环境遭到破坏就会导致材料处理失败，造成严重的资源浪费。另外，表面处理工作对于操作人员的技术要求较高。设备的更新换代需要操作人员技能的更新。

2. 加工成本高

    不同种类的高能束表面加工技术使用的设备不同，不过这类型加工设备普遍价格昂贵并且容易出现故障。要保障表面加工的质量就必须拥有先进的设备，随着科技的不断发展，设备更新速度飞快，企业需要定期在设备购置方面投入大量成本。

三、高能束材料表面处理技术的类型、物理机制及应用

1. 激光表面处理技术

激光是指通过辐射线的受激放射达到光的放大作用的产物，具有高单色性、高方向性、高相干性以及高亮度等特点。激光表面处理的过程机理是当激光照射在材料表面时，材料通过不断吸收光子能量的方式实现表层温度的升高。由于金属材料的导热性能较好，当表层温度升高时，热量会向内部传导直至材料温度达到相变温度，金属材料发生固态相变。该表面加工方式称为激光表面淬火，金属材料经过淬火之后各方面性能会发生显著提升。随着温度不断提升达到熔融温度之后，金属材料融化并形成熔池。此时继续使用激光束照射材料，待达到气化温度时，发生等离子体现象。等离子体具有反冲效应，借助该效应可以使材料出现晶粒细化、相变硬化等现象。

激光清洗是最为常见且广泛应用于各行业当中的表面处理方式。激光清洗效果的好坏主要受激光束波长的影响，研究表明激光束波长越短，清洗能力越强。然而，当激光束的能量密度超过能量阈值时，脉冲次数也会对清洁度产生影响。脉冲次数越多，清洁度越高。针对不同种类的污染物质，清洗工作人员需要根据材料基体的类型合理决定激光清洗工艺流程。

2. 电子束表面处理

电子束表面处理技术是指使用高速运动的电子束照射金属表面使其表层成分和组织结构发生变化。电子具有波的运动特性，当电子束照射在材料表面时，电子能够深入金属材料表面并与基体内部的电子和原子核发生相互作用。入射电子的质量与金属材料当中电子、原子核的质量差距过大，因此电子与原子核的碰撞可以看作弹性碰撞。电子束与金属表层电子之间的碰撞最终以热能的形式反映出了能量的传递，热能使得金属材料温度迅速升高进而产生表层成分与组织结构的变化。

虽然电子束表面处理技术与激光表面处理技术的应用范围相似，但是处理过程会受到加工条件与设备等方面因素的约束，所以总体来看电子束表面处理技术的应用范围远不如激光表面处理技术。

电子束表面处理具有功率密度高、控制灵活、重复性好等优点，因此使用该技术可以准确控制表面温度与穿透深度。然而，电子束表面处理技术需要在真空条件下进行，这对于加工设备的性能要求较高，加工成本自然也相对较高。真空条件下进行表面处理工作，可以更好的保护金属，使其获得较高的结合力和性能，从而保障表面处理工作的质量。经过电子束表面处理之后的材料硬度、耐磨性以及耐腐蚀性均有所提升，其使用寿命自然也会延长。

电子束表面处理技术主要包括：电子束表面淬火、电子束表面熔凝处理以及电子束表面合金化及熔覆等。表面淬火处理是通过高能电子束使材料的表面层转变为晶粒极细的马氏体。表面熔凝处理是利用高的能量密度对材料进行加热，当温度达到融化状态时以极快的冷却速度进行冷却，提升材料的韧性。表面合金化及熔覆是将合金粉末覆盖在材料表面上控制电子束作用时间使表面的合金粉熔化，基体材料也会随温度升高发生熔化，通过冶炼形成新合金。目前，电子束表面处理技术广泛应用于食品辐射、医疗用具的杀菌消毒、环境保护等领域。

3. 离子束注入表面改性

传统的离子注入是将原子离子化后，通过外加电场的方式使离子获得高能量强行注入材料表面的一种处理方式。当荷能离子射入材料表面时会与材料当中的原子、电子发生一系列碰撞。通过碰撞能量传递给材料中的原子和电子，这一过程会使离子能量越来越低最终留停在材料内部。对于金属材料而言，离子注入会出现摩擦系数降低、表面耐磨度、耐腐蚀、抗氧化以及耐热疲劳性能的提升。

由于离子束注入的种类较多所以适用范围相对较广，目前主要用于工具、模具以及精密零件的生产等。随着研究工作的不断深入，强对流脉冲离子束表面处理技术也得到了完善。强对流脉冲离子束的辐射效果比激光束和电子束更加均匀，所以表面处理的质量也更好。与传统离子束注入相比强对流脉冲离子束表面处理方式可以利用较低剂量的离子束完成工作。

四、总结

    高能束金属材料表面处理技术广泛应用于日常生活的各行各业当中，不同种类表面处理技术的原理与使用条件不同，达到的效果也有所差异。随着研究的不断深入，高能束金属材料表面处理技术的缺陷也逐渐显露，要满足未来设备的性能需求就必须创新研发其他高能束表面处理技术。

参考文献

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