材料表面工程-第四講

1、材料表面工程材料表面工程主講教師：呂主講教師：呂 祥祥 鴻鴻西安石油大學材料科學與工程學院西安石油大學材料科學與工程學院1l 一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術l 二、二、高能束表面處理高能束表面處理目目 錄錄一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術 1.氣相沉積技術原理、分類氣相沉積技術原理、分類2.物理氣相沉積物理氣相沉積原理、裝置及工藝原理、裝置及工藝 3.化學氣相沉積原理、裝置及工藝化學氣相沉積原理、裝置及工藝 31.氣相沉積技術原理、分類氣相沉積技術原理、分類v定義定義- -在基體上形成功能膜層的技術，也稱作干鍍。在基體上形成功能膜層的技術，也稱作干鍍。 v分類分類- -膜層形成機理可分為膜層

2、形成機理可分為4(1)物理氣相沉積物理氣相沉積(2)化學氣相沉積化學氣相沉積 真空蒸鍍真空蒸鍍?yōu)R射鍍膜濺射鍍膜離子鍍膜離子鍍膜一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術2.物理氣相沉積原理、裝置及工藝物理氣相沉積原理、裝置及工藝 (1)真空蒸鍍真空蒸鍍v定義定義- -在真空條件下，用加熱蒸發(fā)的方法使鍍料轉化為氣相，在真空條件下，用加熱蒸發(fā)的方法使鍍料轉化為氣相，然后凝聚在基體表面的方法。然后凝聚在基體表面的方法。v步驟步驟- -清潔基材表面清潔基材表面蒸發(fā)源加熱鍍膜材料蒸發(fā)源加熱鍍膜材料材料蒸發(fā)或升華材料蒸發(fā)或升華成蒸氣成蒸氣蒸氣在基材表面凝聚成膜。蒸氣在基材表面凝聚成膜。5一、一、氣相沉積技術氣相沉積

3、技術v 原理原理- -在高真空中，鍍料氣化（升華）?；w設在蒸氣流上方，在高真空中，鍍料氣化（升華）?；w設在蒸氣流上方，且溫度相對較低，則蒸氣在基體上形成凝固膜。且溫度相對較低，則蒸氣在基體上形成凝固膜。6一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術v 設備設備7真空蒸鍍設備簡圖真空蒸鍍設備簡圖高真空閥高真空閥出水出水擴散泵擴散泵冷阱冷阱增壓泵增壓泵ZF-85針閥針閥工件工件鐘罩鐘罩工件夾和工件夾和加熱器加熱器低真低真空閥空閥放氣閥放氣閥充氣閥充氣閥蒸發(fā)源與蒸發(fā)源與加熱器加熱器機械泵機械泵進水進水一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術8v 方法方法F 電阻加熱法電阻加熱法 溫度溫度1500，Al、Au、Ag。

4、鎢絲、鎢舟、鉬舟鎢絲、鎢舟、鉬舟電阻加熱蒸發(fā)源電阻加熱蒸發(fā)源一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術9F 高頻感應加熱法高頻感應加熱法 一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術10F 激光蒸鍍法激光蒸鍍法 一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術11F 真空度真空度 F基材表面狀態(tài)：清潔度、溫度、晶體結構基材表面狀態(tài)：清潔度、溫度、晶體結構F蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度F蒸發(fā)和凝結速率蒸發(fā)和凝結速率F基材表面與蒸發(fā)源的空間關系基材表面與蒸發(fā)源的空間關系一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F 大多數(shù)呈大多數(shù)呈晶態(tài)，尺寸晶態(tài)，尺寸10100nm； F膜層與基體的結合主要為膜層與基體的結合主要為機械結合機械結合；F形貌取決于膜層材料的形貌

5、取決于膜層材料的特性、基體材料及操作時基體的溫度特性、基體材料及操作時基體的溫度；F常用的蒸鍍材料有常用的蒸鍍材料有:鉻、銅、金、鋁、氧化硅、錫、銻、三硫化銻鉻、銅、金、鋁、氧化硅、錫、銻、三硫化銻等。等。12F反射器反射器(鏡鏡)蒸發(fā)鍍鋁；蒸發(fā)鍍鋁；F電視設備、電子計算機用的電子元件。電視設備、電子計算機用的電子元件。 一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術(2)濺射鍍膜濺射鍍膜v定義定義- -在真空室中，用荷能粒子轟擊靶材，使其原子獲得能量而在真空室中，用荷能粒子轟擊靶材，使其原子獲得能量而濺出進入氣相，并在工件表面沉積成膜。荷能粒子一般為離子。濺出進入氣相，并在工件表面沉積成膜。荷能粒子一般為

6、離子。v步驟步驟- -靶面原子濺射靶面原子濺射濺射原子向基片遷移濺射原子向基片遷移沉積成膜。沉積成膜。13一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F 二極濺射二極濺射 14由真空室由真空室+ +抽真空系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)+ + 電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)+ +供氣部分組成供氣部分組成鐘罩鐘罩氬氣氬氣陰極陰極( (靶靶)陽極陽極( (基板基板) )高壓高壓電源電源加熱加熱電源電源基基片片陰極屏障陰極屏障加熱器加熱器一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F 射頻濺射射頻濺射l射頻：指頻率低于射頻：指頻率低于61012的電振蕩頻率的電振蕩頻率 15射頻射頻電源電源氬氣氬氣靶材靶材射頻射頻電極電極匹配電路匹配電路工件架工件架工件工

7、件電磁電磁線圈線圈電磁電磁線圈線圈真空罩真空罩一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F 磁控濺射磁控濺射16一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術靶靶SSN屏屏蔽蔽基片基片工件架工件架輝光區(qū)輝光區(qū)磁鐵磁鐵F 三極濺射三極濺射17鐘罩鐘罩靶子靶子擋板擋板磁場磁場線圈線圈基片基片陽極陽極燈絲燈絲抽氣系統(tǒng)抽氣系統(tǒng)進氣閥進氣閥等離等離子區(qū)子區(qū)一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F 機械功能膜機械功能膜：耐摩、減摩、耐熱、抗蝕等強化膜，固體潤滑薄膜；：耐摩、減摩、耐熱、抗蝕等強化膜，固體潤滑薄膜； F物理功能膜物理功能膜：電氣、磁學、光學等；：電氣、磁學、光學等；F裝飾膜裝飾膜。18一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術(3

8、)離子鍍膜離子鍍膜v定義定義- -在真空條件下，由惰性氣體輝光放電使氣體或被蒸發(fā)物質在真空條件下，由惰性氣體輝光放電使氣體或被蒸發(fā)物質部分離子化，離子經(jīng)電場加速后對帶負電荷的基體轟擊，同時將蒸發(fā)部分離子化，離子經(jīng)電場加速后對帶負電荷的基體轟擊，同時將蒸發(fā)物或反應物沉積成膜。物或反應物沉積成膜。v鍍料蒸發(fā)方式鍍料蒸發(fā)方式- -電阻加熱、電子束加熱、等離子束加熱、高電阻加熱、電子束加熱、等離子束加熱、高頻感應加熱等。頻感應加熱等。v離化方式離化方式- -輝光放電型、電子束型、熱電子型、等離子電子束輝光放電型、電子束型、熱電子型、等離子電子束型等。型等。19一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F工件為陰

9、極，陽極兼作蒸發(fā)源。工件為陰極，陽極兼作蒸發(fā)源。 F抽真空抽真空10-310-4Pa，充氬氣至，充氬氣至10-21Pa，加幾百至幾千伏直流電，加幾百至幾千伏直流電壓，氬離子轟擊清洗基片，接通壓，氬離子轟擊清洗基片，接通交流電，膜料蒸發(fā)且電離或激發(fā)，交流電，膜料蒸發(fā)且電離或激發(fā)，正離子轟擊基片，中性粒子沉積正離子轟擊基片，中性粒子沉積成膜。成膜。 20一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術陰極陰極交流交流電源電源至真空至真空系統(tǒng)系統(tǒng)基片基片 蒸發(fā)源蒸發(fā)源 直流直流高壓高壓氬氣氬氣鐘罩鐘罩 陽極陽極等離等離子區(qū)子區(qū)陰極陰極暗區(qū)暗區(qū)F 空心陰極離子鍍空心陰極離子鍍 21一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術水冷

10、銅水冷銅坩堝坩堝鐘罩鐘罩工件工件高壓高壓電源電源蒸發(fā)源蒸發(fā)源氬氣氬氣HCD陰極陰極至真空至真空系統(tǒng)系統(tǒng)陽極陽極輔助輔助陽極陽極F多弧離子鍍多弧離子鍍 22一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術至真至真空泵空泵弧靶弧靶70V,100A工件架工件架陽極陽極工作室工作室工工件件引弧引弧電極電極F磁控濺射離子鍍磁控濺射離子鍍 23一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術至真至真空泵空泵永久磁鐵永久磁鐵基板基板( (工件工件) )工作室工作室磁控磁控電源電源N S N氬氣氬氣離子鍍離子鍍電源電源磁控磁控陽極陽極磁控靶磁控靶膜層膜層F活性反應離子鍍活性反應離子鍍 24一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術至真至真空泵空泵基板

11、基板電子槍電子槍真空室真空室反應反應氣體氣體真空機組真空機組反應反應氣導氣導入環(huán)入環(huán)電電源源探測探測電極電極壓差壓差板板物料物料F表面強化鍍層：表面強化鍍層：耐磨鍍層、耐蝕鍍層、潤滑鍍層；耐磨鍍層、耐蝕鍍層、潤滑鍍層；F裝飾鍍層；裝飾鍍層；F特殊功能鍍層。特殊功能鍍層。25一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術3.化學氣相沉積原理、裝置及工藝化學氣相沉積原理、裝置及工藝v定義定義- -通過熱化學反應產(chǎn)生的氣相在工件表面沉積成膜的方法。通過熱化學反應產(chǎn)生的氣相在工件表面沉積成膜的方法。v設備設備- -26一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術甲烷甲烷工件工件氫氣瓶氫氣瓶TiCl4高頻源高頻源感應感應 加熱爐

12、加熱爐干燥劑干燥劑催化劑催化劑反應室反應室工件工件出口出口出氣口出氣口混合室混合室流量計流量計常由石英管制成；常由石英管制成；器壁為熱態(tài)器壁為熱態(tài)油槽油槽F可以制備多種單質可以制備多種單質/化合物化合物/氮化物或不同組分的薄膜；氮化物或不同組分的薄膜；F可以在較寬的范圍內獲得具有可控成分的覆層；可以在較寬的范圍內獲得具有可控成分的覆層；F薄膜的沉積溫度可以低于其本身的熔點。薄膜的沉積溫度可以低于其本身的熔點。27一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F需要較高需要較高T，基材，基材T高，沉積速率低高，沉積速率低/難以實現(xiàn)局部沉積；難以實現(xiàn)局部沉積；F參加反應的氣源和反應后的的余氣都具有一定毒性。參加

13、反應的氣源和反應后的的余氣都具有一定毒性。28一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術按沉積按沉積T T高溫高溫CVD按實施方法按實施方法中溫中溫CVD低溫低溫CVD普通普通CVDMOCVD如：如：平面硅和平面硅和MOS集成電路的鈍化膜集成電路的鈍化膜等離子增強等離子增強CVD光化學反應光化學反應CVD金屬有金屬有機物機物CVD如：如：在刀具上沉積在刀具上沉積TiC/TiN超硬膜超硬膜如如:沉積沉積SiN9002000激光激光CVD500800 500PECVDLCVD按沉積系統(tǒng)壓強按沉積系統(tǒng)壓強常壓常壓CVD減壓減壓CVD1atm(1.013105 Pa)數(shù)十數(shù)十數(shù)百數(shù)百Pa29一、一、氣相沉積技術

14、氣相沉積技術氣動氣動連鎖連鎖裝置裝置氣體控氣體控制系統(tǒng)制系統(tǒng)主真空泵主真空泵防振臺防振臺感應加熱感應加熱壓力壓力表表清洗清洗氮氮裝料裝料門組門組件件反應室反應室冷阱冷阱反應反應氣體氣體管管排氣排氣波紋波紋管管真空真空閥閥F減壓減壓CVD 30一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F等離子體增強等離子體增強CVD (PECVD) 擴散泵擴散泵加熱器加熱器SiH4+Ar試樣試樣高頻發(fā)生器高頻發(fā)生器反應室反應室質量流量計質量流量計N2機械泵機械泵質量流量計質量流量計等離子區(qū)等離子區(qū)31一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F 金屬有機化合物金屬有機化合物CVD (MOCVD)質量流質量流量計量計4個個反應室反應

15、室H2SeAsH3GaAs基片基片排氣排氣RF線圈線圈托架托架凈化器凈化器TMG TMA DEZ石墨制成石墨制成H2采用采用GaAs作為基片作為基片不銹鋼發(fā)泡器不銹鋼發(fā)泡器高壓氣瓶高壓氣瓶用氫氣稀釋至用氫氣稀釋至510%用氫氣稀釋至幾十用氫氣稀釋至幾十幾百幾百ppm至廢氣回至廢氣回收裝置收裝置32一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術F 光化學光化學CVDl利用光化學反應，使反應物吸收一定波長和能量的光子，促使其中利用光化學反應，使反應物吸收一定波長和能量的光子，促使其中的原子團和離子發(fā)生反應，生成化合物的的原子團和離子發(fā)生反應，生成化合物的CVD方法。方法。l主要用于沉積主要用于沉積SiO2、Si

16、3N4以及多晶硅膜；生長以及多晶硅膜；生長M膜和膜和Ga、Ge、Ti、W等元素的氧化物膜。等元素的氧化物膜。l 一、一、氣相沉積技術氣相沉積技術l 二、二、高能束表面處理高能束表面處理目目 錄錄二、二、高能束表面處理高能束表面處理 1.高能束表面改性概述高能束表面改性概述2.激光表面處理激光表面處理概述概述及其分類及其分類 3.電子束表面處理及熱過程電子束表面處理及熱過程4. 離子注入原理、裝置及應用離子注入原理、裝置及應用 341.高能束表面改性概述高能束表面改性概述v高能束高能束- -激光束、電子束、離子束。激光束、電子束、離子束。v表面改性表面改性- -獲得與基體的組織、性能不同的材料表

17、面。獲得與基體的組織、性能不同的材料表面。 v高能束加熱和冷卻速度極高高能束加熱和冷卻速度極高- -微晶或非晶制備。微晶或非晶制備。v離子注入離子注入- -把異類原子引入表面層把異類原子引入表面層- -表面合金化。表面合金化。35二、二、高能束表面處理高能束表面處理2.激光表面處理激光表面處理概述概述及其分類及其分類 v概述：概述：l金屬對激光的吸收金屬對激光的吸收部分反射部分反射, ,部分吸收；部分吸收；l吸收能量吸收能量電子躍遷；電子躍遷；l吸收率與波長、溫度、金屬表面自身性質吸收率與波長、溫度、金屬表面自身性質有關；有關；l激光與金屬作用的類型：熱作用、力作用、光作用。激光與金屬作用的類

18、型：熱作用、力作用、光作用。36二、二、高能束表面處理高能束表面處理v分類：分類：F不改變基材表面成分不改變基材表面成分37二、二、高能束表面處理高能束表面處理38F 改變基材表面成分改變基材表面成分二、二、高能束表面處理高能束表面處理39v 激光熔覆技術激光熔覆技術二、二、高能束表面處理高能束表面處理40l激光熔覆材料的添加激光熔覆材料的添加預制涂層法：先涂覆、噴涂、電鍍一層材料；預制涂層法：先涂覆、噴涂、電鍍一層材料；同步送料法：將材料直接送入激光熔池，多為粉末、線材。同步送料法：將材料直接送入激光熔池，多為粉末、線材。二、二、高能束表面處理高能束表面處理l激光熔覆技術特點激光熔覆技術特點

19、類似于噴焊或堆焊，與二者相比特點：類似于噴焊或堆焊，與二者相比特點： (1) 稀釋率低；稀釋率低； (2)基材熱變形最??；基材熱變形最?。?(3)熔覆層致密，結合強度高；熔覆層致密，結合強度高； (4)無污染，無輻射，低噪聲，勞動條件好。無污染，無輻射，低噪聲，勞動條件好。41l激光熔覆材料激光熔覆材料自熔合金：鎳基、鐵基、鈷基、銅基；自熔合金：鎳基、鐵基、鈷基、銅基；金屬陶瓷符合粉末：合金與碳化物金屬陶瓷符合粉末：合金與碳化物(WC、TiC、SiC等等)；陶瓷粉末：陶瓷粉末：Al2O3、ZrO2等。等。二、二、高能束表面處理高能束表面處理l激光熔覆影響因素激光熔覆影響因素激光功率、光斑直徑、

20、功率密度、掃描速度、送粉速率、材料相容激光功率、光斑直徑、功率密度、掃描速度、送粉速率、材料相容性。性。l激光熔覆用途激光熔覆用途形成特殊表面層；零件修復、恢復尺寸。形成特殊表面層；零件修復、恢復尺寸。42v 激光表面合金化技術激光表面合金化技術二、二、高能束表面處理高能束表面處理鑄鐵鑄鐵大型軋輥大型軋輥激光合金化激光合金化43l激光表面合金化工藝激光表面合金化工藝預制涂層法：預制涂層法：刷涂、電鍍、熱擴滲、噴涂等；刷涂、電鍍、熱擴滲、噴涂等；同步送粉法：同步送粉法：將含有強化粒子材料送入熔池；將含有強化粒子材料送入熔池；激光氣體合金化法：激光氣體合金化法：激光熔化鋁或鈦合金通入激光熔化鋁或鈦

21、合金通入N2、O2等氣體。等氣體。二、二、高能束表面處理高能束表面處理44l激光表面合金化特點激光表面合金化特點既改變表層的既改變表層的物理狀態(tài)物理狀態(tài)，又改變其，又改變其化學成分化學成分；與激光熔覆激光表面合金化的基材熔化程度高，需要更大的能量密與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。度。二、二、高能束表面處理高能束表面處理包頭市鑫垣機械制造有限責任公司包頭市鑫垣機械制造有限責任公司球墨鑄鐵軋輥激光表面合金化球墨鑄鐵軋輥激光表面合金化 45v 激光表面淬火激光表面淬火二、二、高能束表面處理高能束表面處理內蒙古科技大學內蒙古科技大學 軋輥表面強化軋輥表面強化 廣州某光科技

22、術有限公司廣州某光科技術有限公司 齒輪激光淬火齒輪激光淬火46v 激光表面非晶化和熔凝激光表面非晶化和熔凝二、二、高能束表面處理高能束表面處理齒圈激光熔凝齒圈激光熔凝軋輥激光熔凝軋輥激光熔凝3.電子束表面處理及熱過程電子束表面處理及熱過程 v原理原理47二、二、高能束表面處理高能束表面處理l電子束能量密度達電子束能量密度達103MW/m2，比激光高一至二個數(shù)量級。比激光高一至二個數(shù)量級。l電子束加熱深度和尺寸比激光大。電子束加熱深度和尺寸比激光大。l缺點：必須在真空環(huán)境中處理。缺點：必須在真空環(huán)境中處理。F電子束淬火；電子束淬火；F電子束表面合金化；電子束表面合金化；F 電子束覆層；電子束覆層；F 制造非晶態(tài)層；制造非晶態(tài)層；F 此外，電子束蒸鍍、濺射也應屬于電子束的改性范疇。此外，電子束蒸鍍、濺射也應屬于電子