材料表面工程-第四讲

材料表面工程主讲教师：吕祥鸿西安石油大学材料科学与工程学院1一、气相沉积技术二、高能束表面处理目录一、气相沉积技术1.气相沉积技术原理、分类2.物理气相沉积原理、装置及工艺3.化学气相沉积原理、装置及工艺31.气相沉积技术原理、分类定义-在基体上形成功能膜层的技术，也称作干镀。分类-膜层形成机理可分为4(1)物理气相沉积(2)化学气相沉积真空蒸镀溅射镀膜离子镀膜一、气相沉积技术2.物理气相沉积原理、装置及工艺(1)真空蒸镀定义-在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。步骤-清洁基材表面→蒸发源加热镀膜材料→材料蒸发或升华成蒸气→蒸气在基材表面凝聚成膜。5一、气相沉积技术原理-在高真空中，镀料气化（升华）。基体设在蒸气流上方，且温度相对较低，则蒸气在基体上形成凝固膜。6一、气相沉积技术设备7真空蒸镀设备简图高真空阀出水扩散泵冷阱增压泵ZF-85针阀工件钟罩工件夹和加热器低真空阀放气阀充气阀蒸发源与加热器机械泵进水一、气相沉积技术8方法电阻加热法温度1500℃，Al、Au、Ag。钨丝、钨舟、钼舟电阻加热蒸发源一、气相沉积技术9高频感应加热法一、气相沉积技术10激光蒸镀法一、气相沉积技术11真空蒸镀膜影响因素真空度基材表面状态：清洁度、温度、晶体结构蒸发温度蒸发和凝结速率基材表面与蒸发源的空间关系一、气相沉积技术真空蒸镀膜性质大多数呈晶态，尺寸10~100nm；膜层与基体的结合主要为机械结合；形貌取决于膜层材料的特性、基体材料及操作时基体的温度；常用的蒸镀材料有:铬、铜、金、铝、氧化硅、锡、锑、三硫化锑等。12真空蒸镀膜应用反射器(镜)蒸发镀铝；电视设备、电子计算机用的电子元件。一、气相沉积技术(2)溅射镀膜定义-在真空室中，用荷能粒子轰击靶材，使其原子获得能量而溅出进入气相，并在工件表面沉积成膜。荷能粒子一般为离子。步骤-靶面原子溅射→溅射原子向基片迁移→沉积成膜。13一、气相沉积技术常用方法二极溅射14由真空室+抽真空系统+电气系统+供气部分组成钟罩氩气阴极(靶)阳极(基板)＋—高压电源加热电源基片阴极屏障加热器一、气相沉积技术射频溅射射频：指频率低于6×1012的电振荡频率15射频电源氩气靶材射频电极匹配电路工件架工件电磁线圈电磁线圈真空罩一、气相沉积技术磁控溅射16一、气相沉积技术靶SSN屏蔽基片工件架辉光区磁铁三极溅射17钟罩靶子挡板磁场线圈基片阳极灯丝抽气系统进气阀等离子区一、气相沉积技术溅射镀膜应用机械功能膜：耐摩、减摩、耐热、抗蚀等强化膜，固体润滑薄膜；物理功能膜：电气、磁学、光学等；装饰膜。18一、气相沉积技术(3)离子镀膜定义-在真空条件下，由惰性气体辉光放电使气体或被蒸发物质部分离子化，离子经电场加速后对带负电荷的基体轰击，同时将蒸发物或反应物沉积成膜。镀料蒸发方式-电阻加热、电子束加热、等离子束加热、高频感应加热等。离化方式-辉光放电型、电子束型、热电子型、等离子电子束型等。19一、气相沉积技术原理工件为阴极，阳极兼作蒸发源。抽真空10-3~10-4Pa，充氩气至10-2~1Pa，加几百至几千伏直流电压，氩离子轰击清洗基片，接通交流电，膜料蒸发且电离或激发，正离子轰击基片，中性粒子沉积成膜。20一、气相沉积技术阴极＋—交流电源至真空系统基片~蒸发源直流高压氩气钟罩阳极等离子区阴极暗区常用离子镀膜方法空心阴极离子镀21一、气相沉积技术水冷铜坩埚钟罩工件高压电源蒸发源氩气HCD阴极至真空系统阳极辅助阳极多弧离子镀22一、气相沉积技术至真空泵弧靶70V,100A工件架阳极工作室工件引弧电极磁控溅射离子镀23一、气相沉积技术至真空泵永久磁铁基板(工件)工作室磁控电源NSN氩气离子镀电源磁控阳极磁控靶膜层活性反应离子镀24一、气相沉积技术至真空泵基板电子枪真空室反应气体真空机组反应气导入环电源探测电极压差板＋—物料离子镀膜应用表面强化镀层：耐磨镀层、耐蚀镀层、润滑镀层；装饰镀层；特殊功能镀层。25一、气相沉积技术3.化学气相沉积原理、装置及工艺定义-通过热化学反应产生的气相在工件表面沉积成膜的方法。设备-26一、气相沉积技术甲烷工件氢气瓶TiCl4高频源感应加热炉干燥剂催化剂反应室工件出口出气口混合室流量计常由石英管制成；器壁为热态油槽特点可以制备多种单质/化合物/氮化物或不同组分的薄膜；可以在较宽的范围内获得具有可控成分的覆层；薄膜的沉积温度可以低于其本身的熔点。27一、气相沉积技术缺点需要较高T，基材T高，沉积速率低/难以实现局部沉积；参加反应的气源和反应后的的余气都具有一定毒性。分类28一、气相沉积技术按沉积T高温CVD按实施方法中温CVD低温CVD普通CVDMOCVD如：平面硅和MOS集成电路的钝化膜等离子增强CVD光化学反应CVD金属有机物CVD如：在刀具上沉积TiC/TiN超硬膜如:沉积SiN900~2000℃激光CVD500~800℃500℃PECVDLCVD按沉积系统压强常压CVD减压CVD1atm(1.013×105Pa)数十~数百Pa29一、气相沉积技术气动连锁装置气体控制系统主真空泵防振台感应加热压力表清洗氮装料门组件反应室冷阱反应气体管排气波纹管真空阀减压CVD30一、气相沉积技术等离子体增强CVD(PECVD)扩散泵加热器SiH4+Ar试样高频发生器反应室质量流量计N2机械泵质量流量计等离子区31一、气相沉积技术金属有机化合物CVD(MOCVD)质量流量计4个反应室H2SeAsH3GaAs基片排气RF线圈托架净化器TMGTMADEZ石墨制成H2采用GaAs作为基片不锈钢发泡器高压气瓶用氢气稀释至5~10%用氢气稀释至几十~几百ppm至废气回收装置32一、气相沉积技术光化学CVD利用光化学反应，使反应物吸收一定波长和能量的光子，促使其中的原子团和离子发生反应，生成化合物的CVD方法。主要用于沉积SiO2、Si3N4以及多晶硅膜；生长M膜和Ga、Ge、Ti、W等元素的氧化物膜。一、气相沉积技术二、高能束表面处理目录二、高能束表面处理1.高能束表面改性概述2.激光表面处理概述及其分类3.电子束表面处理及热过程4.离子注入原理、装置及应用341.高能束表面改性概述高能束-激光束、电子束、离子束。表面改性-获得与基体的组织、性能不同的材料表面。高能束加热和冷却速度极高-微晶或非晶制备。离子注入-把异类原子引入表面层-表面合金化。35二、高能束表面处理2.激光表面处理概述及其分类概述：金属对激光的吸收——部分反射,部分吸收；吸收能量——电子跃迁；吸收率与波长、温度、金属表面自身性质有关；激光与金属作用的类型：热作用、力作用、光作用。36二、高能束表面处理分类：不改变基材表面成分37二、高能束表面处理38改变基材表面成分二、高能束表面处理39激光熔覆技术二、高能束表面处理40激光熔覆材料的添加预制涂层法：先涂覆、喷涂、电镀一层材料；同步送料法：将材料直接送入激光熔池，多为粉末、线材。二、高能束表面处理激光熔覆技术特点类似于喷焊或堆焊，与二者相比特点：(1)稀释率低；(2)基材热变形最小；(3)熔覆层致密，结合强度高；(4)无污染，无辐射，低噪声，劳动条件好。41激光熔覆材料自熔合金：镍基、铁基、钴基、铜基；金属陶瓷符合粉末：合金与碳化物(WC、TiC、SiC等)；陶瓷粉末：Al2O3、ZrO2等。二、高能束表面处理激光熔覆影响因素激光功率、光斑直径、功率密度、扫描速度、送粉速率、材料相容性。激光熔覆用途形成特殊表面层；零件修复、恢复尺寸。42激光表面合金化技术二、高能束表面处理铸铁·大型轧辊·激光合金化43激光表面合金化工艺预制涂层法：刷涂、电镀、热扩渗、喷涂等；同步送粉法：将含有强化粒子材料送入熔池；激光气体合金化法：激光熔化铝或钛合金通入N2、O2等气体。二、高能束表面处理44激光表面合金化特点既改变表层的物理状态，又改变其化学成分；与激光熔覆激光表面合金化的基材熔化程度高，需要更大的能量密度。二、高能束表面处理包头市鑫垣机械制造有限责任公司球墨铸铁轧辊激光表面合金化45激光表面淬火二、高能束表面处理内蒙古科技大学轧辊表面强化广州某光科技术有限公司齿轮激光淬火46激光表面非晶化和熔凝二、高能束表面处理齿圈激光熔凝轧辊激光熔凝3.电子束表面处理及热过程原理47二、高能束表面处理电子束能量密度达103MW/m2，比激光高一至二个数量级。电子束加热深度和尺寸比激光大。缺点：必须在真空环境中处理。电子束表面改性方法①电子束淬火；②电子束表面合金化；③电子束覆层；④制造非晶态层；此外，电子束蒸镀、溅射也应属于电子束的改性范畴。48二、高能束表面处理4.离子注入原理、装置及应用原理-把所需的离子（如N、C、O、Cr、Ni、Ti等元素离子）加速至几万甚至百万电子伏特能量，并注入金属材料表层。49二、高能束表面处理离子注入强化机理①固溶强化；②细晶强化；③晶格损伤强化；④弥散强化；⑤晶格变换效应；⑥压应力效应(喷丸强化)。50二、高能束表面处理离子注入机离子注入特点①靶材与注入元素不受限制；②不受温度限制；③不受固溶度、扩散系数、结合力限制；④可精确控制掺杂数量、深度与位置；⑤横向扩散可忽略，深度均匀；⑥不改变工件尺寸；⑦缺点：设备昂贵，成本较高，在真空中处理。51二、高能束表面处理1）简述材料表面工程在材料科学研究中的重要性；2）针对石油装备材料表面改性及强化的研究方法，对其工作原理及应用进行论述；3）结合课题方向，简述学习《材料表面工程》这门课的心得体会；4）篇幅要求：20页（1.5万字左右）。《材料表面工程》大作业要求