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1、-等离子体表面改性技术-------吴师妹整理1前沿材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。科学技术和现代工业的发展，对摩擦、磨损、腐蚀和光学性能优异的先进材料的需要日益增长，这导致了整个材料表面改性技术的发展与进步，其中等离子体表面改性技术发挥了重要作用。等离子表面处理因其性能的优势和低廉的成本已成为材料科学领域最活跃的研究方向之一。2等离子体表面改性的原理等离子体是一种物质能量较高的聚集状态，它的能量范围比气态、液态、固态物质都高，被
2、称为物质的第四态，存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面的撞击时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程。一些粒子还会注入到材料表面引起碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化及非晶化，从而改变材料的表面性能。3等离子体表面改性技术的种类根据温度不同，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体(包括热等离子体和冷等离子体)。高温等离子体的温度高达106K～108K，在太阳表面、核聚变和激光聚变中获得。热等离子体一般为稠密等离子体，冷等离子体一般为稀薄等离子体。在材料表面改性技术中，溅射、离子镀、离子注入、等离子化
3、学热处理工艺应用的是在低压条件下放电产生的低压(冷)等离子体，而等离子喷涂、等离子淬火及多元共渗相变强化、等离子熔覆或表面冶金等工艺中应用的是低温等离子体中的稠密热等离子体，通常指压缩电弧等离子束流。3.1低压(冷)等离子体表面处理技术近年来，低压等离子体在表面镀膜、表面改性及表面聚合方面发挥着越来越重要的作用。3.1.1溅射和离子镀溅射镀膜是基于离子轰击靶材时的溅射效应，采用的最简单装置是直流二极溅射，其它类型的溅射设备有射频溅射磁控溅射、离子束溅射等，其中磁控溅射由于沉积速率高，是目前工业生产应用最多的一种。磁控溅射的基本原理是:辉光放电加热工件，源
4、极的合金元素在离子轰击下被溅射出来，高速飞向工件(阴极)表面，被工件表面吸附，借助于扩散过程进入工件表面，从而形成渗入元素的合金层。该工艺的优点是：①渗速快。等离子体向工件表面持续提供高浓度的渗入金属元素，而高能粒子的轰击，使金属表面出现高密度位错区，导致渗入原子既沿晶界又向晶内扩散，特别是沿位错沟扩散，极大地提高了渗入元素的扩散速度。②渗层组织容易控制。通过调整渗入金属源及工艺参数，很容易按要求控制渗层组织。③不需去钝处理。阴极溅射效应可有效去除表面氧化物，且工件又是在真空中进行处理,不会再生氧化膜。④渗入元素是固体合金元素,且材料利用率高。⑤无公害,
5、工作环境好。离子镀是在真空条件下利用气体放电使蒸发物质部分离化，并在离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在工件表面.---，具有附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等优点。离子镀在近年发展很快，由电子束离子镀、空心阴极放电离子镀、激励射频法离子镀到电弧放电真空离子镀及多弧真空离子镀，镀膜效率显著提高。目前离子镀最广泛的应用是在刀具上涂镀TiN、TiC等超硬膜层。利用俄制Bulat6多弧离子镀膜机对摩托车车架冷弯芯模(SKD11钢)进行TiN涂层处理后,使用6000余次表面仍光洁,而未经镀膜的模具使用50余次后表面即被拉毛。等离子体增强磁控溅射离子镀(PE
6、MSIP)是在磁控溅射离子镀基础上研发的一种新型PVD技术。PEMSIP中的电子发射源和活化源使电子数量和动能增加,电子与中性粒子的碰撞几率随之增加,因此增加了等离子体的密度,使进入基片阴极鞘层和沉积到基片表面上的正离子数量增加,在阴极鞘层中被加速的二次电子的有效碰撞进一步提高离化率,强化了离子镀效应。利用该技术沉积的TiN涂层,膜基之间存在50nm厚的过渡层,膜基之间的结合力强,膜层硬度高。 3.1.2离子注入传统的束线离子注入是一种“视线过程,对几何形状复杂的零件很难发挥作用，所以使用范围受限。等离子体基离子注入(PlasmaBasedIonImpl
7、antation，PBII)自1987年提出后受到人们极大的重视,是近十年发展迅速的一种新兴的表面改性技术,它不但消除了传统离子注入的视线过程,解决了其在机械零件及工模具上的应用问题,而且在每一脉冲注入过程中都包含着注入、溅射和沉积多元过程,根据需要控制适当的工艺条件可同时全方位地注入多种元素,并控制注入元素的浓度分布和注入深度,形成所需要的过饱和固溶体、亚稳相和各种平衡相以及一般冶炼方法无法获得的合金相和金属间化合物,可直接获得马氏体硬化表面,得到所需要的表面结构和性能。PBII工艺的特点是进入晶格的离子浓度不受热力学平衡的限制(相平衡、固溶度),且能
8、注入互不相容的物质；注入在室温、低温下进行,不会引起材料热畸变；注入离子与基体没
