作者：高玉魁研究員

單位：同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院

來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志

表面改性技術(shù)是指用來(lái)改善表面完整性以提高材料與構(gòu)件使用性能的工藝技術(shù)。由于材料和構(gòu)件的失效多數(shù)是從表面發(fā)生的，所以疲勞斷裂、腐蝕、摩擦磨損等性能往往與表面完整性密切相關(guān)。表面完整性是指無(wú)缺陷或表面強(qiáng)化的表面狀態(tài)與性能，它確定了材料的使用性能，但取決于制造加工工藝技術(shù)。熱處理表面改性技術(shù)主要是指采用加熱和冷卻的方法來(lái)使材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以達(dá)到所期望的使用性能。

本文主要介紹感應(yīng)淬火、稀土或形變促滲、真空熱處理、激光熱處理、電子束熱處理和離子束熱處理等新技術(shù)的特點(diǎn)，并結(jié)合自己的一些研究成果來(lái)展望金屬熱處理新技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)，以期達(dá)到宣傳新技術(shù)和推動(dòng)新工藝發(fā)展的目的。

一、感應(yīng)淬火

感應(yīng)淬火是利用感應(yīng)電流通過(guò)材料或工件所產(chǎn)生的熱量，使材料或工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火。

1.感應(yīng)淬火的特點(diǎn)

（1）加熱速率大，熱效應(yīng)利用率高。

（2）具有加熱肌膚效應(yīng)，整體不加熱，變形小。

（3）加熱時(shí)間短，與外界的化學(xué)反應(yīng)少，表面氧化脫碳少。

（4）設(shè)備易于機(jī)械化，操作便于自動(dòng)化，可編程控制。

（5）淬火層組織、深度、硬度易于控制，表面硬度較常規(guī)淬火高、缺口敏感性小，可顯著改善構(gòu)件的疲勞性能和提高耐磨性，延長(zhǎng)零件的使用壽命。

2.感應(yīng)淬火現(xiàn)狀

近幾年國(guó)內(nèi)比較重視感應(yīng)淬火設(shè)備的研發(fā)和工藝技術(shù)的應(yīng)用研究，已經(jīng)可以生產(chǎn)出了工頻、低頻、中頻、超音頻、高頻、超高頻等幾種不同的淬火感應(yīng)設(shè)備，從而根據(jù)淬硬深度需要來(lái)選擇適宜的感應(yīng)頻率設(shè)備。

一方面，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于超高頻的設(shè)備研發(fā)還有一點(diǎn)難度，主要是轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）多數(shù)是依靠進(jìn)口（主要來(lái)自德國(guó)西門子）。國(guó)內(nèi)最近較大的IGBT電源達(dá)到了300kW、50kHz，國(guó)外早已有了600kW、100kHz的電源商品生產(chǎn)。

另一方面，原有的電子管高頻振蕩電源也正逐漸被MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）電源及SIT（靜電感應(yīng)晶體管）電源所替代，國(guó)產(chǎn)電源可達(dá)300kW、300kHz，發(fā)達(dá)國(guó)家已有500kW、300kHz的產(chǎn)品問(wèn)世。MOSFET及SIT全固態(tài)電源與電子管高頻振蕩式電源相比，具有電源體積小、效率高、控制方便、使用壽命長(zhǎng)、安全性高等突出特點(diǎn)，發(fā)展前景較好。最后值得一提的是設(shè)備的自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化控制技術(shù)都發(fā)展較快，國(guó)內(nèi)還需要進(jìn)一步開發(fā)軟件和加強(qiáng)對(duì)感應(yīng)淬火組織以及殘留應(yīng)力的計(jì)算機(jī)模擬分析技術(shù)研究。

3.未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景

高能、高頻、高效、高精控制是未來(lái)感應(yīng)淬火設(shè)備的發(fā)展方向；淬火組織深度、硬度梯度分布特性、殘留應(yīng)力、使用性能是未來(lái)感應(yīng)淬火設(shè)備和技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用亟待解決的問(wèn)題，有待產(chǎn)、學(xué)、研、用等單位共同突破。

應(yīng)用前景還是比較廣闊的，曲軸、車軸、齒輪等關(guān)鍵基礎(chǔ)的傳動(dòng)件都可以應(yīng)用，對(duì)于不規(guī)則形狀的零件，還需要好好設(shè)計(jì)，確保淬火過(guò)程中的應(yīng)力集中不要太大，以免產(chǎn)生淬火裂紋和不均勻的組織，關(guān)鍵是要有好的感應(yīng)淬火器設(shè)計(jì)，在科學(xué)理論的指導(dǎo)下，通過(guò)精確的工藝參數(shù)控制，確保淬火組織的均勻性和深度，并具有一定的硬度和適宜的硬度梯度分布。

二、稀土或形變促滲

稀土是中國(guó)的特色資源，中國(guó)的稀土資源豐富而且很多稀土元素是戰(zhàn)略資源，因此應(yīng)該充分發(fā)揮我國(guó)稀土資源的優(yōu)勢(shì)和特色，在國(guó)際熱處理和表面改性領(lǐng)域占有自己的一席之地和具有自己的研究特色。

對(duì)于金屬表面的改性處理，通過(guò)稀土的加入能夠顯著提高元素滲入速度，改善滲層組織，提高滲層性能，表現(xiàn)出很好的催滲效果，在鋼鐵熱處理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

1.稀土催滲取決因素

稀土的催滲效應(yīng)除了和待滲材料密切相關(guān)外，還取決于以下因素：

（1）稀土元素的化學(xué)活性。通常稀土元素與O、H及N均可發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，尤其與O的親和力較強(qiáng)。因此，爐內(nèi)氣氛中含有稀土元素，有利于煤油等高分子斷鍵，使?fàn)t氣得到活化，對(duì)滲劑的分解過(guò)程起促進(jìn)作用；加速分解動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并促使熱分解更完全。

（2）稀土元素滲入金屬表面形成的晶格畸變。由于稀土元素的原子半徑比Fe原子半徑大得多，它的存在會(huì)引起它周圍的原子晶格畸變。這種晶格畸變一方面由于C、N間隙原子在畸變區(qū)的偏聚導(dǎo)致表面C、N濃度增高，加快C、N原子的擴(kuò)散；另一方面由于晶體缺陷對(duì)原子擴(kuò)散的通道作用，促使間隙原子沿著位錯(cuò)等缺陷快速擴(kuò)散。

2.稀土的催滲效果

稀土的催滲作用目前已在工程中應(yīng)用于滲碳、滲氮、滲硼、滲釩及各種復(fù)合共滲。下面舉例說(shuō)明其促滲效果。

（1）稀土滲碳。稀土催滲碳在汽車變速箱齒輪、減速器齒輪、內(nèi)燃機(jī)活塞銷、機(jī)床摩擦片等零件上已得到廣泛運(yùn)用，在活塞銷零件的應(yīng)用上也取得明顯效果。稀土催滲碳的效果主要表現(xiàn)在：①能降低滲碳溫度，縮短滲碳周期。②減少工件變形，減少工件表面積碳。③細(xì)化滲層組織晶粒，改善碳化物形態(tài)。④使?jié)B層硬度的變化較為平緩。加稀土可提高滲碳速度20%~30%，節(jié)電70%，熱處理成本下降60%。

（2）稀土滲氮。稀土催滲氮可有效提高滲氮速度，在同樣溫度下稀土滲氮可提高滲速15%~20%；當(dāng)滲氮溫度高出傳統(tǒng)溫度10~20℃，則可使?jié)B氮速度提高60%以上。稀土也可使碳氮共滲的滲速提高20%~50%。稀土催滲氮可使氮化物的分布變得細(xì)小彌散，避免氮化物沿晶界的偏聚及脈狀組織的產(chǎn)生，能有效提高表面硬度。稀土催滲氮不僅有催滲和改善滲氮層硬度和滲層組織的效果，還有一定的離子轟擊效應(yīng)，使鋼鐵表層內(nèi)的空位與位錯(cuò)密度增加，加快氮原子的擴(kuò)散；同時(shí)，稀土原子也沿晶界、位錯(cuò)等特殊通道以較快速度向內(nèi)部擴(kuò)散，具有一定的微合金化作用。

（3）稀土滲硼。加稀土的滲硼劑顯示出較好的催滲效果，滲速提高幅度在20%~30%，特別是對(duì)低碳材料的效果更明顯。研究表明，稀土的加入可抑制FeB的生長(zhǎng)，有利于Fe₂B的形成，所形成的Fe₂B形如針齒細(xì)密直長(zhǎng)，能減少硼化層脆性，提高滲層與基體的結(jié)合力。

（4）稀土滲釩。滲釩技術(shù)所形成的碳化釩覆層在常溫下具有良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗磨損能力，但傳統(tǒng)的鹽浴滲釩方法一直存在著設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、工件變形大以及表面粘鹽難以清理等技術(shù)難點(diǎn)。采用稀土催滲釩技術(shù)，能加速活性原子的產(chǎn)生，加速滲劑的分解，提高鹽浴中的釩勢(shì)，從而提高滲釩的速度，增加滲層厚度。

此外，除了稀土可以促進(jìn)滲氮或滲碳進(jìn)程外，機(jī)械形變由于引入的位錯(cuò)或晶粒細(xì)化所貯存的能量也可以降低擴(kuò)散激活能，促進(jìn)擴(kuò)散過(guò)程，減少熱處理時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。國(guó)內(nèi)學(xué)者卻力克、葛繼平、戚正風(fēng)等較早系統(tǒng)研究了室溫形變對(duì)45鋼、45VS鋼促進(jìn)滲氮的效果。此后陸續(xù)不斷有人進(jìn)行相關(guān)的研究，但效果比較顯著的是材料表面納米化后的促滲效果，它可以實(shí)現(xiàn)低溫滲或深層滲。

3.稀土催滲工藝技術(shù)特點(diǎn)

充分發(fā)揮中國(guó)稀土資源優(yōu)勢(shì)和形變研究特色，提高了熱處理生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，投入少、收效大，研究具有很強(qiáng)的中國(guó)特色。

4.稀土催滲現(xiàn)狀

稀土促滲結(jié)果多年的研究在工程上已經(jīng)有所應(yīng)用，尤其是在汽車行業(yè)得以推廣；形變促滲雖然研究多年，但在工程上還缺少應(yīng)用，而且效果也因零件形狀、尺寸和熱處理爐子不同而不同性能顯得不穩(wěn)定。

5.未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景

稀土促滲工藝技術(shù)有待在組織優(yōu)化和滲層深度、硬度梯度等精確控制的研究基礎(chǔ)上，加大在工業(yè)上的推廣應(yīng)用；形變促滲工藝技術(shù)尚需進(jìn)一步開展深入系統(tǒng)的研究，以挖掘工藝技術(shù)的潛力，形成成熟的形變促滲工藝特色和獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)形變能與擴(kuò)散激活能等應(yīng)用基礎(chǔ)理論方面的研究，實(shí)現(xiàn)科學(xué)理論上的重大突破，將為工程實(shí)踐上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

三、真空熱處理

真空熱處理具有無(wú)氧化、不脫碳、工件表面光亮、變形小、無(wú)污染、節(jié)能、自動(dòng)化程度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展較快的熱處理新技術(shù)之一，特別是在進(jìn)行航空材料表面改性方面獲得了很大的進(jìn)展。

許多新近開發(fā)的先進(jìn)熱處理技術(shù)，如真空高壓氣淬、真空化學(xué)熱處理等，也需在真空下方能實(shí)施。采用真空熱處理技術(shù)可使結(jié)構(gòu)材料、工模具的質(zhì)量和使用壽命得到大幅度的提高，尤其適合于一些精密零件的熱處理。

1.真空熱處理發(fā)展

隨著真空熱處理技術(shù)的發(fā)展，真空熱處理設(shè)備如真空退火爐、真空淬火爐、真空回火爐、真空滲碳爐、真空釬焊爐、真空燒結(jié)爐等在國(guó)內(nèi)得以研制成功，在工業(yè)上真空爐的制備技術(shù)和裝備水平不斷提升，真空度也逐漸達(dá)到了國(guó)外水平，但在自動(dòng)化控制和器件的精細(xì)加工上與國(guó)外還有一定差距，尤其是在超高真空爐性能的穩(wěn)定上有待精密器件制備水平的提高。此外，測(cè)試技術(shù)和測(cè)量?jī)x器的發(fā)展也對(duì)真空設(shè)備有很大的影響，尤其是自動(dòng)測(cè)試與控制技術(shù)。真空設(shè)備中極限真空度、工作真空度、空爐抽空時(shí)間、壓升率、爐溫均勻度、空爐升溫時(shí)間等參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量和性能指標(biāo)是真空爐性能的主要體現(xiàn)。

在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，真空熱處理的比例已達(dá)到20%左右，而我國(guó)目前約有真空熱處理爐1200臺(tái)，占熱處理爐總數(shù)的1%左右，與國(guó)外的差距很大。預(yù)計(jì)今后隨著熱處理行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和對(duì)熱處理工件質(zhì)量要求的越來(lái)越高，真空熱處理將會(huì)有較大的發(fā)展。

2.真空熱處理特點(diǎn)

設(shè)備一次性投入大，但產(chǎn)品質(zhì)量好、變形小、無(wú)污染、節(jié)能環(huán)保，對(duì)工人操作的技術(shù)水平要求略高，生產(chǎn)效率由于真空度要求抽真空時(shí)間比較長(zhǎng)而略低。

3.真空熱處理現(xiàn)狀

真空熱處理在國(guó)內(nèi)發(fā)展已有十余年的歷史，但目前還只是應(yīng)用在高端高質(zhì)量的零件上，如航空航天等軍工產(chǎn)品的關(guān)鍵部件采用真空熱處理，對(duì)于民用還是較少。一方面是因?yàn)樵O(shè)備價(jià)格高，另一方面是國(guó)內(nèi)零件采用真空熱處理將增加費(fèi)用除非是高附加值產(chǎn)品，一般不愿意進(jìn)行真空熱處理。

4.未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景

精密零部件和較高質(zhì)量要求的零件未來(lái)都將采用真空熱處理來(lái)確保表面質(zhì)量和完整性，真空熱處理具有從航空航天高端產(chǎn)品走向民用高端產(chǎn)品的趨勢(shì)，并且隨著環(huán)保無(wú)污染國(guó)家政策的嚴(yán)格要求和執(zhí)行也將得以推廣應(yīng)用。

四、激光熱處理

激光熱處理功率高、加熱和冷卻率快、定位精確，可解決傳統(tǒng)金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術(shù)難題。同時(shí)激光熱處理又是一種表面熱處理技術(shù)，即利用激光加熱金屬材料表面實(shí)現(xiàn)表面熱處理改性。

1.激光熱處理原理及應(yīng)用

激光加熱具有極高的功率密度，即激光的照射區(qū)域的單位面積上集中極高的功率。由于功率密度極高，工件傳導(dǎo)散熱無(wú)法及時(shí)將熱量傳走，結(jié)果使得工件被激光照射區(qū)迅速升溫到奧氏體化溫度實(shí)現(xiàn)快速加熱。當(dāng)激光加熱結(jié)束，因?yàn)榭焖偌訜釙r(shí)工件基體大體積中仍保持較低的溫度，被加熱區(qū)域可以通過(guò)工件本身的熱傳導(dǎo)迅速冷卻，從而實(shí)現(xiàn)淬火等熱處理效果。激光淬火技術(shù)可對(duì)各種導(dǎo)軌、大型齒輪、軸頸、汽缸內(nèi)壁、模具、減振器、摩擦輪、軋輥、滾輪零件進(jìn)行表面強(qiáng)化。適用材料為中、高碳鋼，鑄鐵。激光淬火強(qiáng)化的鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸，其硬度提高230HBW提高到680HBW，使用壽命提高2~3倍。

2.激光熱處理特點(diǎn)

激光相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火）、表面合金化等表面改性處理，可產(chǎn)生用常規(guī)表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到60HRC以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)70HRC以上，從而提高抗磨損、抗疲勞、耐腐蝕、抗氧化等性能，延長(zhǎng)使用壽命。激光熱處理技術(shù)與其它熱處理如高頻淬火、滲碳、滲氮等傳統(tǒng)工藝相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）無(wú)需使用外加材料，僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu)，處理后的改性層具有足夠的厚度，可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.1～0.8mm。

（2）處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高。激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結(jié)合，而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性。

（3）被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時(shí)間很短（2～10s），故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。

（4）加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。

3.其他激光表面改性技術(shù)

激光熱表處理改性技術(shù)還包括激光熔覆技術(shù)、激光表面合金化技術(shù)、激光退火技術(shù)、激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)、激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)、激光上釉技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)改變材料的力學(xué)性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。

（1）激光熔覆技術(shù)是在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用的激光表面改性技術(shù)之一，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，可大大提高產(chǎn)品的抗腐蝕性。

（2）激光表面合金化技術(shù)是材料表面局部改性處理的新方法，是未來(lái)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一，適用于航空、航天、兵器、核工業(yè)、汽車制造業(yè)中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。

（3）激光退火技術(shù)是半導(dǎo)體加工的一種新工藝，效果比常規(guī)熱退火好得多。激光退火后，雜質(zhì)的替位率可達(dá)到98%～99%，可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/3～1/2，還可大大提高集成電路的集成度，使電路元件間的間隔縮小到0.5μm。

（4）激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能改善金屬材料的機(jī)械性能，可阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高鋼、鋁、鈦等合金的強(qiáng)度和硬度，改善其抗疲勞性能。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片維修上得以應(yīng)用來(lái)提高其抗外來(lái)物破壞和疲勞使用性能。

（5）激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)可提高金屬的沉積速度，速度比無(wú)激光照射快1000倍，對(duì)微型開關(guān)、精密儀器零件、微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補(bǔ)具有重大意義。使用該技術(shù)可使電鍍層的結(jié)合力大大提高。

（6）激光上釉技術(shù)對(duì)于材料改性很有發(fā)展前途，其成本低，容易控制和復(fù)制，有利于發(fā)展新材料。激光上釉結(jié)合火焰噴涂、等離子噴涂、離子沉積等技術(shù)，在控制組織、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應(yīng)用前景。電子材料、電磁材料和其他電氣材料經(jīng)激光上釉后用于測(cè)量?jī)x表極為理想。

4.激光熱處理特點(diǎn)

高功率、高速率加熱和冷卻、定位精確，可獲得常規(guī)熱處理難以獲得的組織結(jié)構(gòu)、硬度和使用性能，具有很高的性能，很大的發(fā)展前景和市場(chǎng)潛力。

5.激光熱處理現(xiàn)狀

由于設(shè)備一次性投入大、操作技術(shù)要求高等問(wèn)題制約了激光熱處理在工程中的推廣應(yīng)用；由于材料對(duì)激光能量的吸收率有待提高和設(shè)備研發(fā)技術(shù)水平尚需提升，國(guó)內(nèi)激光熱處理工藝技術(shù)和設(shè)備裝備都還處于研發(fā)階段，只有少數(shù)成熟的工藝技術(shù)在工業(yè)上得到了應(yīng)用，但也有待推廣。

6.未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景

需要加強(qiáng)材料對(duì)激光能量利用率的研究以提高激光能量的吸收率；對(duì)于鋁合金、鈦合金等材料制品還需要研究不同氣氛保護(hù)下的熱處理效果以及生產(chǎn)效率。此外，加大高功率、高精度、高性能的設(shè)備研發(fā)也是推動(dòng)激光熱處理技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用的關(guān)鍵，尤其是高功率、高頻率、高穩(wěn)定性的固體激光器沖擊強(qiáng)化設(shè)備的研制，已嚴(yán)重限制和影響了我國(guó)裝備的實(shí)力水平。

五、電子束熱處理

電子束照射到金屬表面時(shí)，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。能量傳遞主要是通過(guò)電子束與金屬表層電子碰撞而完成的，所傳遞的能量立即以熱的形式傳與金屬表層原子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。與激光加熱有所不同，電子束加熱時(shí)，其入射電子束的動(dòng)能大約有75％可以直接轉(zhuǎn)化為熱能；而激光束僅有少量可被金屬表面直接吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，其余部分基本上被完全反射掉了。目前，電子束加速電壓達(dá)125kV，輸出功率達(dá)150kW，能量密度達(dá)10³MW/m²。因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。

1.電子束熱處理分類

與激光束改性相似，電子束熱處理也有電子束退火、電子束相變硬化、電子束熔化/粉注、激光熔敷、電子束表面合金化、電子束非晶化和細(xì)晶化等。

（1）電子束表面硬化是利用電子束轟擊金屬工件表面，使表面被加熱到相變溫度以上，高速冷卻產(chǎn)生馬氏體相變強(qiáng)化。電子束表面硬化比較適合于碳鋼、中碳低合金鋼、鑄鐵等材料的表面強(qiáng)化。

（2）電子束表面熔凝是用高能量密度的電子束轟擊工件表面，使表面產(chǎn)生局部的重新熔化，并在冷基體的作用下快速凝固，從而使組織細(xì)化，實(shí)現(xiàn)硬度和韌性的最佳結(jié)合。電子束表面熔凝最適用于鑄鐵、高碳高合金鋼。

（3）電子束表面合金化是預(yù)先將具有特殊性能的合金粉末涂敷在基體金屬表面，再用電子束轟擊加熱，使特殊的合金粉末熔融在基體材料的表面上，從而在工件表面形成一層具有耐磨、耐蝕、耐熱等性能的新合金表面層。

（4）電子束熔敷是按需要在基體材料表面預(yù)先涂敷一層特殊性能的合金粉，并用電子束加熱將其熔化，在基體表面形成具有某些特性的覆層。

（5）電子束表面非晶化是利用聚焦的電子束高能量密度以及作用時(shí)間短的特點(diǎn)，使工件表面在極短的時(shí)間內(nèi)迅速形成小熔池，并在基體與熔化的表層間產(chǎn)生很大的溫度梯度，使表層的冷卻速度高達(dá)10⁴~10⁸℃/s。致使表層幾乎保留了熔化時(shí)液態(tài)金屬的均勻性，經(jīng)高速冷卻，在材料的表面形成良好的非晶層。

近年來(lái)筆者開展了航空鈦合金的脈沖電子束改性系統(tǒng)研究，獲得了一系列的研究成果。主要的突破是：①采用脈沖電子束在TA2、TA15、TB6和TC4等鈦合金表面進(jìn)行表面納米化處理，獲得了10～50μm的納米改性層，使得表層強(qiáng)度和硬度得到明顯提高和耐磨性與抗疲勞性得以改善。②采用脈沖電子束使表面粗糙度得到顯著改善，可以用來(lái)拋光金屬零部件使之表面達(dá)到鏡面效果。③脈沖電子束可凈化表面，改善相結(jié)構(gòu)或微觀組織，提高耐蝕性。④對(duì)制備的納米材料表層進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化可進(jìn)一步提高表層的硬度和韌性，這方面的研究只是剛剛開展探索，還需要深入系統(tǒng)開展研究。有興趣的讀者可進(jìn)一步閱讀筆者發(fā)表的相關(guān)文章。

2.電子束熱處理特點(diǎn)

（1）加熱、冷卻速度快。

（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（3）能量控制簡(jiǎn)便。

（4）電子束與金屬表面作用耦合性好，能量利用率高。

（5）處理中工件不被污染，質(zhì)量好。

（6）電子束加熱的深度和尺寸范圍比激光束大。

（7）電子束因易激發(fā)X射線，在使用中應(yīng)注意輻射防護(hù)。

3.電子束熱處理現(xiàn)狀

電子束具有獨(dú)特的高能、高脈沖特性，而且能量的利用率高、無(wú)污染、環(huán)保，在國(guó)外工業(yè)上應(yīng)用較多，國(guó)內(nèi)主要用于金屬的焊接和合金化，對(duì)于電子束熔敷技術(shù)和非晶化處理剛剛起步，很多高新技術(shù)方面有待投入人力、物力和財(cái)力進(jìn)行基礎(chǔ)研究，以推廣電子束熱處理改性技術(shù)的工程應(yīng)用。

4.未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景

在技術(shù)研發(fā)進(jìn)步和設(shè)備裝備水平提升的技術(shù)上，通過(guò)對(duì)材料與電子束相互作用機(jī)理的系統(tǒng)研究，開發(fā)高能高效清潔電子束熱處理設(shè)備是非常必要的，也是有很大應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展空間的。

六、離子束熱處理

離子束熱處理改性技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較慢，前幾年主要應(yīng)用于離子注入、離子束熔敷、離子束合金化和離子束淬火等。離子束改性與激光束和電子束改性基本相同，多數(shù)是利用離子束的熱作用，使材料表面發(fā)生物理化學(xué)變化或冶金反應(yīng)，得到組織再造、表層改性的目的。

1.離子束熱處理特點(diǎn)

（1）加熱、冷卻速度快。

（2）能量控制簡(jiǎn)便。

（3）離子束與金屬表面作用耦合性好，能量利用率高。

（4）處理中工件在保護(hù)氣氛下不易被污染，表面質(zhì)量高。

2.離子束熱處理現(xiàn)狀

離子束具有獨(dú)特的高能、高脈沖特性，而且能量的利用率高，在國(guó)外工業(yè)上應(yīng)用較多，國(guó)內(nèi)主要用于離子注入表面改性，對(duì)于離子束熱處理的研究也是剛剛起步，很多高新技術(shù)方面有待加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，以推廣離子束熱處理改性技術(shù)的工程應(yīng)用。

3.未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景

在技術(shù)研發(fā)進(jìn)步和設(shè)備裝備水平提升的技術(shù)上，通過(guò)對(duì)材料與離子束相互作用機(jī)理的系統(tǒng)研究，開發(fā)高能高效清潔離子束熱處理設(shè)備是非常必要的，同樣離子束熱處理工藝技術(shù)在中國(guó)有很大應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展空間。

七、結(jié)語(yǔ)

本文在綜合國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，尤其是網(wǎng)絡(luò)上很多新技術(shù)方面的資料，結(jié)合自己的理解，對(duì)感應(yīng)淬火、稀土促滲、形變促滲、真空熱處理、激光熱處理、電子束熱處理和離子束熱處理等新技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并展望了金屬熱處理新技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)，希望達(dá)到宣傳新技術(shù)和推動(dòng)新工藝發(fā)展的目的，以提升中國(guó)熱處理的技術(shù)水平，提高我們熱處理裝備的能力和產(chǎn)品質(zhì)量。

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