真空材料与工艺

主讲人：张以忱东北大学真空与流体工程研究中心真空材料与工艺1真空工程材料1.1真空材料的种类真空系统中所用的材料大致可分为两类：1)结构材料：是构成真空系统主体的材料，它将真空系统与大气隔开，承受着大气压力。这类材料主要是各种金属和非金属材料，包括可拆卸连接处的密封垫圈材料。2)辅助材料：系统中某些零件连接处或系统漏气处的辅助密封用的真空封脂、真空封蜡、装配时用的粘接剂、焊剂、真空泵及系统中用的真空油、吸气剂、工作气体及系统中所用的加热元件材料等。1．2真空材料的性能与选材基本原则1.2.1材料的真空性能1.2.1.1材料的渗透性由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过和逸出固体阻挡层的过程称为渗透。该情况下的稳态流率称为渗透率。从微观的角度来看，渗透过程是按以下步骤进行的（见图1）图1气体渗透过程示意图气体渗透过程：1).首先，气体原子或分子碰撞到真空器壁的外表面并吸附在器壁的外表面；2).吸附时有的气体分子能离解成原子态；3).气体（分子或原子）在入射一侧的壁面表层达到与环境气压相对应的平衡溶解度；4).由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体向壁面的另一侧扩散，直到浓度均匀为止。扩散的气体分子（原子），有的能与固体分子发生化学反应，形成化合物；有的只形成不稳定的“假化合物”；有的则构成溶质；5).溶质气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子态(如果存在步骤2时)后释放；或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出。在渗透过程中，扩散这一环节是最慢最关键的一步，它与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系。一般说来，非金属材料没有步骤（2），在非金属材料（塑料、橡胶、玻璃、陶瓷等）表面上，气体分子不离解；而金属材料能溶解的气体多数是双原子气体（如H2、O2、N2等），具有步骤（2）。但是在正常热条件下，几乎所有的惰性气体都不能溶解在金属材料的晶格中（离子注入条件下除外），因而也就不能渗透通过金属材料。在真空工程中所用的金属、玻璃、橡胶及塑料等，对气体来说或多或少都可以渗透。其渗透量随不同的气体和材料而异，而且差异较大。对金属：有些金属（如：不锈钢、铜、铝、钼等）的气体渗透系数就很小，在大多数实际应用中可以忽略不计。但对某些金属（如：铁、镍等），氢气对它们就具有较高的渗透率。氢气对钢的渗透率随含碳量的增加而增加，所以选择低碳钢做真空室材料为好；另外有些金属对气体的渗透具有选择性，如氢气就极容易渗透过钯，氧气易透过银等。可以利用这个性质对气体进行提纯和真空检漏。气体对玻璃、陶瓷等的渗透：一般是以分子态的形式进行的。渗透过程和气体分子的体积及材料内部微孔大小有关。含纯二氧化硅的石英玻璃的微孔孔径约为4埃，其它玻璃因碱金属离子（钾、纳、钡等）填充于微孔之中，使其有效孔径变小，所以各种气体对石英玻璃的渗透性大，而对其它玻璃的渗透性就小。而氦分子的直径在各种气体分子中最小，所以氦对石英玻璃的渗透在气体－固体配偶中是最大的。1.2.1.2材料的出气任何固体材料在制造过程中，及在大气环境下存放都能溶解、吸附一些气体。当材料置于真空中时，原有的动态平衡被破坏，材料就会因解溶、解吸而出气。对一般真空设备来说，材料的出气是真空系统中最主要的气源。常用的出气速率单位有：Pa.L/s.cm2。材料出气总量:出气速率通常与材料中的气体含量和温度成正比。所以有时（如电真空器件）也用高温下材料的出气总量作为选材依据。出气总量的单位：考虑体积含量为主时可用Pa.L/g；考虑表面含量为主时则用Pa.L/cm2。对真空系统设计来说，仅有材料的出气速率的数据还是不够的，因为有许多真空泵的抽气能力是有选择性的，所以进一步知道材料出气中的各种气体成分的比例，就能有针对性的选配合适的真空泵，得到更合理的设计。1.2.1.3材料的蒸发、升华、蒸气压物质的状态依据一定的条件而相互转化。液态转化成气态的过程称为蒸发，固态转化成气态的过程称为升华。在一定的温度下，在封闭的真空空间中，由于液体（或固体）气化的结果，使空间的蒸气密度逐渐增加，当达到一定的蒸气压力之后，单位时间内脱离液体（或固体）表面的分子数与从空间返回液体（或固体）表面的再凝结分子数相等，即蒸发（或升华）速率与凝结速率达到动态平衡，这时可认为气化停止，此时的蒸气压力称为该温度下，该液体（或固体）的饱和蒸气压。材料的蒸气压力与放气压力区分：材料的放气压力与材料对气体的解吸、放气或渗透有关。虽然有时放气或热解吸造成的气体压力比材料固有的蒸气压力要高的多，但是通过在真空下烘烤能够降低它们对气体压力的影响，但是材料的蒸气压力却是材料本身所固有的、不变的。1.2.2材料的其它性能1)机械强度:系统的器壁承受大气的压力。2）热学性能:系统承受温度的变化，材料的抗热冲击的特性。3）电磁性能：系统中的部件具备能完成某项功能或工序所要求的电磁性能，同时这些性能又不能与真空系统的要求相矛盾。4）其它性能：光学性能（例观察窗）、硬度、抗腐蚀性、热导率和热膨胀等性能。1.2.3真空材料的选材原则1.2.3.1对真空壳体及内部零件材料的要求1足够的机械强度和刚度来保证壳体的承压能力；2气密性好。要保持一个完好的真空环境，器壁材料不应存在多孔结构、裂纹或形成渗漏的其它缺陷。有较低的渗透速率和出气速率；3在工作和烘烤温度下的饱和蒸气压要足够低。4化学稳定性好。。5热稳定性好。在工作温度范围内，保持良好的真空性能和机械性能。6有较好机械加工性能及焊接性能。1.2.3.2对密封材料的要求1有足够低的饱和蒸气压。2化学及热稳定性好。在密封部位，不因合理的温升而发生软化，发生化学反应或挥发，甚至被大气冲破。33有一定的机械及物理性能。4某些密封材料应能溶于某些溶剂中，以便更换时易于清洗掉。1.3金属材料在真空系统设计与制造中常用的金属及其合金材料主要有：低碳钢、不锈钢、铜、铝、镍、金、银、钨、钼、钽、铌、钛、铟、镓、可伐合金、镍铬（铁）合金、磁性合金、铜合金、铸铁、铸铜、铸铝等。1.3.1铸件铸件大多用于制造各种机械真空泵泵体。要求铸件具有较高的致密性。当工作温度较高时，不应选用含有磷、锌、镉等元素的铜合金铸件。1.3.2钢及不锈钢1.3.2.1钢碳钢一般应用在低真空工作范围表面处理：镀层涂覆或裸露抛光问题：表面放气、大气渗透设计热态工作真空系统时必须注意：气体渗透中低真空系统：轴类、杆件、螺纹类零件以及重负荷的传动机件等：真空容器壳体、阀、管道、蒸气流泵的泵体：45＃钢导磁性的结构：例磁控溅射靶的磁极靴10#、15＃、20＃钢及普通碳素结构钢（例Q235A）1.3.2.2不锈钢奥氏体型不锈钢：马氏体型不锈钢：1.3×10-4Pa以上系统：奥体无磁不锈钢工作范围：－270℃～900℃耐高温、抗腐蚀或需要热处理（淬火、调质）的轴、阀盖、封口等：马体不锈钢1.3.2.3不锈复合钢板不锈复合钢板是以碳钢为基体，以不锈钢为复层经热迭轧制而成真空设备常用：1Cr18Ni9Ti＋Q235A0Cr18Ni9Ti＋Q235A不适用：内径小于600mm的真空装置1.3.3.1镍用途：阴极、栅极、阳极、吸气剂和热屏蔽罩及机械构件中的基体材料镍对大气，水、盐水、碱以及大多数的有机酸都具有抗腐蚀性。镍导磁性好，磁化强度大，在需要避免磁效应的场合禁止使用镍对氢具有很高的可渗透率和溶解度：1.3.3有色金属在高真空及超高真空中最常用的是无氧铜用途：喷嘴、障板、冷阱、密封、电极等无氧铜有良好的真空气密性，对气体的溶解度低，在室温下不渗透氢和氦，而且对氧气和水蒸气的敏感性差、塑性好。Cu不易使用温度过高，在200℃以上时Cu的抗拉强度陡降；当温度超过500℃时，Cu的蒸气压比Ni的蒸气压大约高一个数量级。无氧铜会被氧腐蚀，并在200℃以上时产生锈斑。它也会被含氧的酸腐蚀。1.3.3.2铜1.3.3.3铝特性：1).密度小；2).导电、导热性好；3).在大气、水及部分腐蚀性介质中耐蚀性好（因其表面形成的氧化铝膜）；4).延展性良好；5).强度低；6）非磁性纯铝熔点660℃，在1100℃以上时会很快地蒸发。铝和耐熔的加热材料之间易于相浸润。真空室内的轻型支架、放电电极、扩散泵的喷嘴、导流管、挡油障板、分子泵中的叶片、密封垫片材料及耐腐蚀及装饰镀层材料等铝的机械强度在200℃左右时迅速下降，铝的蒸气压相对较高，因此只能用在300℃以下的烘烤真空系统中。铝难于进行普通熔焊和钎焊，一般焊接铝：真空钎焊。用途：设计应用注意问题：1.3.3.4钛钛可以加工成形，没有磁性，是理想的结构材料，适合用做镀膜设备中的磁控溅射靶、溅射离子泵的阴极等。钛对活性气体（如O2、N2、CO、CO2以及650℃以上的水蒸气）的吸附性很强！！！应避免在H2气氛中加热Ti，因为这样能迅速形成TiH1.3.3.5锆纯锆是一种特别活泼的金属，它特别对氢气及氢的同位素氘、氚等有较强的吸附能力。Zr的中子截面很小；Zr的二次电子发射产额低，可以用来作吸气剂（如锆铝吸气泵）；可用作中子窗；镀在不希望发射二次电子的基体材料上。特点：用途：铂（Pt）、铱（Ir）1.3.4贵重金属铂是延展性最好的金属之一，容易加工。铂、铱在高温时不与氧反应抗氧化阴极热丝可采用在铱或铂铱合金的基材上涂覆一层高发射能力的材料。可采用纯铱丝（纯度99.9％以上）作基材，氧化钇（Y2O3）作为涂覆的发射材料。但这种氧化钇阴极不宜在有大量油蒸汽的环境下工作，受沾污后，使发射性能下降。1.3.4.2钯(Pd)钯是一种价格相对便宜的贵重金属，其硬度和强度类似于铂。钯在空气中加热会被氧化；钯对H2表现出很高的溶解度（约体积的1000倍）。钯对H2的渗透率特别高（尤其在～400℃时）H2过滤器和检漏仪中（H－Pd法检漏）1.3.4.3金（Au）金是一种延展性和可锻性都特别好的金属，是极好的导电体。对气体（尤其是氧气）的化学吸附性或溶解度很弱。1.3.4.4银（Ag）与金不同的是，银对O2的溶解度很高，氧在加热的银中扩散的快，与纯净的氢气通过钯的方式一样。1.3.5软金属1.3.5.1铟（In）铟是一种特别软、低熔点（156℃）的金属，它的蒸气压很低。1.3.5.2镓（Ga）镓的熔点很低，在30℃时熔化，但是镓的蒸气压相当低，因此可用做液体密封材料。1.3.6难熔金属1.3.6.1钨(W)钨腐蚀：热的王水和1:1的HF与HNO3的混合液钨在常用的难熔材料中熔点(3400C)最高，而相应的蒸气压最低。钨是一种很硬、比较脆，化学性质很稳定的元素，钨没有磁性。1.3.6.2钼（Mo）钼是一种硬度高、无磁性、化学性质稳定的难熔(2610)金属。它只在高温时表现出氧化性，钼腐蚀：热的稀HCl溶液1:1的HF与HNO3混合液的1.3.6.3钽（Ta）钽是一种重量轻、强度高的难熔金属。它的熔点很高（2900℃）、蒸气压很低、对所有的活泼气体（包括氢在内）都具有较明显的吸气性能。钨、钼材料制成的蒸发源蒸发源材料的熔点和相应的饱和蒸汽压的温度1.3.6.4铼（Re）铼的熔点(3176C)很高（仅次于钨），在高温时，蒸气压低。铼在退火后的强度和延展性都很好，但是铼的表面硬度极高，使某些机械加工比较困难。铼不受HF或HCl的腐蚀，抗氧化能力和抗碳化能力比钨好。1.3.7汞（Hg）汞是一种重金属，在室温下呈液态。汞的导电性能很好，膨胀系数变化很小，表面张力大，但蒸气压比较高。汞在空气中的蒸发速率很高（室温下为10-4g.cm-2.s-1），能轻微地氧化。可用作多种开关、温度计、压力计（如麦氏计）和液态密封材料。！！！汞蒸气有毒，因此汞应在密闭的环境中使用。用途：1.3.8可伐合金可伐(Kovar)是一种铁镍钴合金，它是在玻璃－金属密封封接中最常用的合金。它的膨胀系数与几种硬质玻璃、陶瓷相匹配。可伐的抗腐蚀性不如不锈钢1.3.9铬铬的熔点是1900℃(1Pa时，蒸发温度为1397℃)。铬的附着力强，可以作为附着力较差的镀膜材料的“附着剂”，即做为基体和膜层界面的过渡金属。1.4非金属材料真空系统中常用的非金属材料:密封材料和绝缘材料1.