高能电子束表面改性技术
摘要电子束表面改性技术能够赋予材料优异的表面性能，具有广阔的应用前景，本文主要叙述了高能粒子束表面改性技术中的电子束表面改性技术的基本原理、工艺特点等 关键词高能电子束表面改性
High Energy Beam Surface Modification
Chen XingWang
(Kunming University of Science and Technology201211601311)
AbstractThe surface modification technology of the electron beam can endow the material with excellent surface properties, and it has broad application prospect. This paper mainly describes the basic principle and technological characteristics of the surface modification technology of the high energy particle beam surface modification technology. Key wordsHigh energy beam Surface Modification
引言
高能束表面改性技术是指当高能束发生器输出功率密度达到103W/cm2以上的能束，定向作用在金属表面，使其产生物理、化学或相结构转变，从而达到表面改性的目的的处理方法。
1 电子束表面改性技术的研究
1.1电子束表面改性研究现状
电子束表面改性技术是近十几年发展起来的表面处理技术, 主要包括电子束表面硬化( 淬火)、电子束表面合金化、电子束表面熔覆、电子束表面熔凝等。电子束污染小,材料不易氧化, 因此特别适用于易氧化的金属、贵金属以及半导体材料的处理。还可可以较灵活地调节加热面积、加热区域和材料表面的能量密度, 能量效率极高，和激光束相比, 具有如下几个特点：
(1)电子束的能量效率极高, 利用率高达95 % 以上;
(2) 电子束表面淬火处理则要求在10torr的真空条件下进行电子束照射; (3) 电子束表面处理成本比激光束表面处理要低得多。
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1.2 电子束表面改性原理
1）电子束照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。能量传递主要是通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的，所传递的能量立即以热的形式传与金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。
2）与激光加热有所不同，电子束加热时，其入射电子束的动能大约有75％可以直接转化为热能；而激光束仅有1～8％可被金属表面直接吸收而转化为热能，其余部分基本上被完全反射掉了。
1.2.1电子束表面硬化
利用电子束轰击金属工件表面，使表面被加热到相变温度以上，高速冷却产生马氏体相变强化，适合于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化。
电子束的能量利用效率高，光斑调整灵活，设备功率大，且在真空室内处理，因此表面质量更好。由于电子束的能量密度非常高，它所覆盖的区域被迅速加热，超过相转变温度，而周围区域仍维持较低温度。因此当电子束停止作用时，它所产生的热量能够迅速向周围低温区域扩散，这种由工件自身造成的冷却也叫做“自淬火”。该淬火速度大大快于钢的马氏体转变临界淬火速度，因而能够仅对电子束作用的有限区域进行硬化
1.2.2电子束表面熔凝
用高的能量密度对工件表面进行加热，使其表面在瞬间处于熔化状态，当停止加热时，在冷基体的作用下以极快的冷速冷却，从而使表层组织细化，实现高硬度下具有良好的韧性，可以大大降低原始组织的显微偏析。在研究大面积非晶阳极材料时，电子束表面改性技术显示出了它的优越性。国外曾用激光束和电子束来表面熔凝处理非晶阳极，其表面处理面积达1平方米。对比研究表明，与激光表面处理相比，电子束表面熔凝处理可节省60倍以上。
一般电子束的能量分布呈高斯分布，这样的能量分布会造成表面快速熔凝处理热分布不均匀性，从而引起非晶态层的晶化，通过选择设计式阴极，限制阴极中心区热电子发射数量并重复改进阳极和聚束磁场分布，建立新的电子束能态分布曲线，应用超松弛迭代法计算电子轨迹，最终获得电子束圆柱形陡降分布曲线。随着电子束扫描速率的提高，熔深急剧下降并与熔宽相类似最后趋于稳定，获得20微米厚的熔凝层。
1.2.3电子束表面合金化及熔覆
电子束表面合金化是将合金粉末涂覆在金属表面上，然后控制电子束与表面的作用时间，使表面涂覆层熔化，基体材料的表面薄层也微熔，形成表面局部区域的冶炼得到新的合金，从而在工件表面形成一层具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的新合金表面层以提高工件表面性能。一般选择W、Ti、Mo等元素及其碳化物作为合金化原料提高材料耐磨性；选择Ni、Cr等元素则可提高材料的抗腐蚀性能；而适当添加Co、Ni、Si等元素能改善合金化效果。 1.2.4电子束表面非晶化
利用聚焦的电子束高能量密度以及作用时间短的特点，使工件表面在极短的时间内迅速形成小熔池，并在基体与熔化的表层间产生很大的温度梯度，使表层的冷却速度高达104~108℃/s。致使表层几乎保留了熔化时液态金属的均匀性，经高速冷却，在材料的表面形成良好的非晶层。
2 结束语
（1）电子束表面改性是一个复杂的物理、化学和冶金过程，影响缺陷形成和表面性能的因素众多，需综合考虑。电子束涂层熔覆、涂层重熔、材料表面强化等过程中改性机理不同，连续扫描电子束和脉冲电子束与材料作用机理也不同，开展电子束表面改性技术的前提条件是准确把握改性机理，以确定关键影响因素。
（2）电子束是一种提高材料表面性能的有效方法，通过电子束熔覆一层特定功能的表面涂层以提高材料的表面性能，利用电子束快速熔化和凝固的特点对涂层或材料表面进行改性，其中可对涂层表面微熔或涂层全熔和基体微熔，以达到对涂层不同的改性目的。
（3）电子束表面改性技术已取得了初步的理论研究成果并在某些领域实现了实际应用，但目前电子束表面改性机理尚需进一步研究，其中包括：电子束与材料的作用机理，电子束作用下材料熔池内部的传热、传质、流动，材料相变的物理化学过程等。解决该问题的主要手段应采取计算机模拟技术，建立各种所需理论模型，通过试验研究加以修正，以实现对电子束表面改性过程的准确把握和控制。
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