离子束金属材料表面改性技术

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1、离子束金属材料表面改性技术卫中山，王琨,左敦稳（南京航空航天大学机电学院，辽苏南京210016）摘要:本文综述了国内外离子束金属材料表面改性技术的斫究概况，叙述了离子镀、离子注入、為子束混合、离子束增强沉积和等离子体浸没离子注入等表面技术的特点和应用。关键词；离子束；表面改性；金属材料中图分类号：O484,TG174文献标识码:A文章编号:1007-760X(2001.)06-0015-03IonBeamSurfaceModificationTechnologyofMetalMaterialsWEIZhong-shan,WANGMin,ZUODun-wen(Col

2、legeofMechanicalandElectronicEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsfJSNanjing210016,China)Abstract：Inthispaper,theresearchonionbeamsurfaceprocessinginChinaandabroadisreviewedfincludingcathodearedeposition,ionimplantation,ionbeammix,ionenhanceddepositionandplasmaimme

3、rsionionimplantation.Theprospectofthistechnologyisdiscussed・Keywords：ionbeam;surfacemodification;metalmaterials1引言2离子束金属材料表面强化机理收稿日期：20010724•15•离子束材料表面改性技术经过近20年的研究和发展，已取得了显著成效，逐渐成为多学科相互渗透和交叉发展的边缘学科°和通常的表面改性技术，如化学和物理气相沉积等比较，离子束金属材料表面改性技术有许多优点11~31：a）注入的元素可以任意选取。根据工艺要求可取各种金属和气体作为工作物质

4、，引出这些材料的离子，各种金属和非金属都可作为添加元索。b）无需改变材料的整体特性,就可有选择地改变材料的表面特性。c）注入或添加到基体中的原子不受基体固溶度的限制，不受扩散系数和化合结合力的影响。d）强流氮和强流金属离子束的束流强度可达5〜50mA,提髙了注入效率，适用于工业应用。«）离子注入不改变工件尺寸,适合于精密机械零件的表面处理，如应用在航空、航天等工业。0离子束增强沉积可获得厚度大于“m的改性层或超硬层，适于恶劣条件下的应用，如在石油化工等领域。离子注人金属强化过程是点缺陷、位错和析出相产生的过程，也是注入原子与基体原子相互作用的过程。这些过程进行的激

5、烈程度取决于注人能量、注人剂量、离子种类、基体原子种类和结构、注入时的温升等。在激烈的碰撞过程中，金属材料中产生了超饱和固溶体、密集体错网、激烈的增强扩散、晶粒细化、新的析出相和无序相等。例如，张通和等在Ti注人HI3钢中观察到了高密度的位错网的形成，同时在位错网中发现了析岀相,这种位错网和析出相使金属得到了强化⑴。离子注入过程中激烈的碰撞所引起的热峰效应可使局部区域骤然熔化，然后急冷。在合适的条件下，基体会发生马氏休相变强化。氮离子注入使钢的表层出现晶格损伤和晶粒损伤和晶粒细化，还可观察到e-Fe2-3N相的出现⑵c3离子束材料表面改性技术的分类离子束加工技术已

6、利用了很宽的能区:在几十电子伏待到几百电子伏特范围内为离子束沉积区;lkcV~5keV为离子束刻蚀区;10keV~3()MeV为离子注入区;l-10MeV为核分析能区。但随着离子束增强薄膜沉积技术的发展和等离子体浸没离于注入的发展，这些界限变得模糊起来c在等离子体中•荷冇几卜电子伏特能量的正离子也能起到注入作用山°•3.1离子镀20惟纪80年代以来，离子镀已发展成为一项世界范围的高新技术产业，主要用于在高速钢和硬质合金工具匕形成TiN或相关体系的耐磨镀层,以及在不锈钢制品上形成TiN仿金装饰镀层"H本Kobe钢铁公司的连续性工业生产真空镀膜设备•在压缩机零件表面沉

7、积CrN,月产量达几十万件⑷一、我国W89年仿制热丝电弧离子沉积设备成功,并应用于刀具、模具、不锈钢板及各种五金制品等领域。在电弧放电沉枳过程中，发生高能量离子的轰击、溅射、混杂、注人等多种过程，能制备结合力非常好的表面膜层,髙能量粒子的轰击还会对膜的特性产生多重影响。与化学气相沉积(CVD)相比,离子镀技术大幅度降低了沉积温度，满足了发展高性能特种镀层的需要cTiBj抗空蚀镀层、Ti(C,N)抗冲蚀镀层、以韧性好的TiN为过渡层的复合耐磨耐蚀镀层等相继获得成功，促进了机械工业水平的提高⑸。南京航空航天大学利用阴极电弧等离子体沉积技术成功地制备了类金刚石膜•显著提

8、髙了基片的